鈣鈦礦太陽能電池（PSC）因高效率（實驗室PCE超25%）、低成本及優異光學特性成為光伏領域焦點。其維度多樣性（0D至3D）與混合集成策略為平衡效率與穩定性提供了新方向。
0D結構：全無機CsPbBr3的性能依賴3D向0D（Cs4PbBr6）的相控制，避免0D相可提升性能。0D有機-無機雜化材料（如MA4PbX6·2H2O）經熱退火可轉化為3D相，且MABI基器件在Au接觸下表現出低遲滯和高穩定性。
1D結構：1D鈣鈦礦（如納米棒、納米線）通過鈍化表面缺陷、改善結晶度，顯著增強穩定性。例如，添加CBAH構建1D納米棒覆蓋層，或利用1D-PNWs鈍化晶界，均能提升器件性能。
2D結構：準2D鈣鈦礦因環境穩定性突出而受關注。添加NH4SCN、優化薄膜垂直取向，或引入甲脒陽離子結合組分工程，可同時改善穩定性和效率，推動商業化進程。
3D結構：界面缺陷導致的載流子復合是效率瓶頸。雙面鈍化（如大體積有機陽離子基鹵化物）可抑制缺陷，提升性能。此外，無鉛鈣鈦礦（如en-FASnI3）在環保與效率間尋求突破。
混合維度集成：3D鈣鈦礦的穩定性不足是產業化難題。混合維度設計通過引入長鏈有機陽離子或整合不同維度優勢（如0D/3D、1D/3D），在保持高效率的同時增強穩定性，成為研究熱點。
Fig. 1 鈣鈦礦太陽能電池的維度多樣性及混合維度集成潛力概覽。本圖系統總結了鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中不同維度（0D、1D、2D、3D）的結構特性及其協同集成策略：
0D結構（如量子點、孤立八面體單元）：優勢：高缺陷容忍度、可調光學帶隙。挑戰：相分離、載流子傳輸受限。應用：作為3D鈣鈦礦表面鈍化層或光吸收增強組分。
1D結構（納米線、納米棒）：優勢：一維載流子傳輸路徑、晶界鈍化能力。策略：通過添加劑（如CBAH）定向生長1D覆蓋層，減少界面復合。
2D結構（層狀鈣鈦礦、Ruddlesden-Popper相）：優勢：優異環境穩定性、各向異性電荷傳輸。設計：垂直取向薄膜優化載流子提取，引入甲脒陽離子提升吸光效率。
3D結構（傳統塊體鈣鈦礦）：優勢：高載流子遷移率、成熟制備工藝。瓶頸：界面缺陷導致非輻射復合，濕度/熱穩定性不足。
混合維度集成（如0D/3D、1D/3D、2D/3D）：協同效應：結合高穩定性（低維）與高效電荷傳輸（3D）。實例：2D/3D異質結鈍化界面缺陷，1D納米線增強3D薄膜機械韌性。目標：平衡效率-穩定性矛盾，推動產業化應用。
說明：圖中可標注關鍵參數（如各維度對應的典型PCE、穩定性數據）。箭頭或連線可示意維度間集成路徑（如相轉化、外延生長）。對比色塊可突出不同維度的性能優劣勢（如紅色-挑戰，綠色-優勢）。如需進一步細化圖示元素或補充數據關聯，請提供具體設計要求。
Fig. 2 鈣鈦礦太陽能電池材料設計與性能優化。本圖系統展示多種鈣鈦礦材料的結構設計、性能調控及其穩定性提升策略：（a-g）全無機CsPbBr3電池的相調控與界面工程。（a） 多步法制備流程示意圖，通過相控制優化CsPbBr3結晶質量。（b） 含Cs4PbBr6相（橙色曲線）與純CsPbBr3（藍色曲線）的J-V曲線對比，0D相Cs4PbBr6導致載流子復合加劇（c），降低填充因子。（d-e） ReSe2修飾的全無機CsPbBr3電池結構及能級匹配設計，ReSe2層增強載流子提取（f）。含ReSe2器件效率（g）提升20%，且穩定性顯著優于對照組。（h-k）有機-無機雜化鈣鈦礦的熱處理效應。（h） MA4PbI6·2H2O（0D，左）經100℃退火轉化為3D MAPbI3（右），晶體結構重組消除水合缺陷。（i） 退火后樣品（紅色曲線）吸光度顯著提升，冷卻后（藍色虛線）維持高光吸收特性。（j-k） MABI基器件在Au電極（紅色）下展示低遲滯J-V曲線（j），且1500小時老化后PCE保持初始值90%（k），遠優于Ag電極（黑色）。（l-m）無鉛鈣鈦礦材料探索
（l） (CH3NH3)3Bi2I9吸收層能級與真空能級對齊示意圖，優化載流子傳輸路徑。（m） Bi基器件（藍色曲線）在光照下實現0.42% PCE，驗證無鉛鈣鈦礦可行性，但效率仍需提升。數據來源：（a-g） 引自：Wiley, 2022 (Ref. 60)；
（h-i） 引自：ACS, 2021 (Ref. 61)；（j-k） 引自：RSC, 2017 (Ref. 83)；
（l-m） 引自：Elsevier, 2016 (Ref. 63)。關鍵結論：相控制：抑制0D相（如Cs4PbBr6）可減少復合損失，ReSe2界面修飾提升載流子動力學。熱退火：促使0D→3D結構轉化，消除水合缺陷并增強光學性能。電極匹配：Au電極與MABI材料兼容性更優，顯著延緩器件衰減。無鉛化：Bi基材料展現環保潛力，但需突破效率瓶頸。
Fig. 3 鈣鈦礦太陽能電池的器件結構優化與穩定性提升策略。本圖通過不同界面修飾、制備工藝及低維材料集成策略，系統探究鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的光電性能與穩定性優化：（a-e）界面工程與穩定性分析（a） 器件結構示意圖（ITO/SnO2/鈣鈦礦/spiro-OMeTAD），（b） 截面SEM顯示各層均勻致密。（c） CBAH處理后的器件（紅色曲線）J-V特性顯著提升，填充因子（FF）由75%增至82%。（d） 55個器件的開路電壓（Voc）統計表明，CBAH處理組Voc標準差降低至15 mV，界面均勻性改善。（e） 未封裝器件（藍色）在濕熱（85% RH, 25°C）下24小時內效率衰減60%，而CBAH處理組（紅色）保持初始效率90%以上。
（f-i）兩步旋涂工藝優化；（f） 兩步旋涂法制備鈣鈦礦層的工藝示意圖，（g） 反向掃描J-V曲線顯示UTP 5器件（紅色）PCE達22.3%。（h） 最優器件正反掃遲滯效應顯著降低（效率差值<0.5%），（i） 統計30個器件PCE，UTP 5組平均效率（21.8±0.5%）遠高于對照組（19.5±1.2%）。（j-l）低維材料增強穩定性；（j） 碘化鉛量子線（1D結構）的TEM圖像，作為鈣鈦礦前驅體提升結晶質量。（k） 含量子線器件（N4組）正反掃J-V曲線遲滯效應消失，PCE提升至13.1%。（l） N4器件在85%濕度、80°C下老化1000小時后PCE保持初始值92%，顯著優于3D對照組（衰減45%）。數據來源：（a-e） 引自：Wiley, 2022（Ref. 65）；（f-i） 引自：Elsevier, 2021（Ref. 66）；j-l） 引自：RSC, 2019（Ref. 145）。關鍵結論：界面鈍化：CBAH處理減少界面缺陷，提升Voc均一性及濕熱穩定性。工藝優化：兩步旋涂法結合UTP添加劑抑制相分離，降低遲滯效應。維度調控：1D量子線增強鈣鈦礦結晶性，協同提升效率與濕度/熱穩定性。封裝兼容性：低維材料修飾的器件在非封裝條件下展示產業化潛力。
Fig. 4 鈣鈦礦太陽能電池的界面修飾、維度調控與添加劑工程。本圖通過多種材料設計策略（準二維結構、晶界鈍化、添加劑摻雜等）系統優化鈣鈦礦太陽能電池的光電性能與穩定性：（a-d）準二維鈣鈦礦的界面鈍化與穩定性提升（a） 準二維ACI GA(MA)?Pb?I??（n=5）器件結構，（b） ImI處理后的器件正反掃遲滯效應顯著降低，PCE由18.1%提升至21.3%。（c） 在0.948 V偏壓下，ImI處理器件穩態輸出效率（20.8%）接近J-V測試值，驗證其低能量損失特性。
（d） ImI處理器件在85°C熱老化1000小時后保持初始效率85%，遠超MAPbI3對照組（衰減60%）。（e-h）添加劑工程優化能級匹配與結晶性（e） NH4SCN添加劑優化鈣鈦礦/傳輸層能帶對齊，（f） 含1.5% NH4SCN器件PCE達19.4%（對照組16.2%）。（g） NH4SCN增強載流子壽命，光電流密度提升15%，（h） 在55%濕度下未封裝器件穩定性優于惰性氣氛（濕度誘導晶界自修復）。（i-k）晶界處二維/三維異質結設計（i） 晶界處引入2D鈣鈦礦鈍化缺陷，（j） 目標器件（紅色曲線）PCE達22.5%，Voc提升至1.15 V。（k） 在50%濕度暗態環境中，目標器件500小時后PCE保持95%，而對照組（純3D）衰減至70%。（l-n）陽離子工程與垂直取向調控（l） FA/MA梯度垂直取向的2D鈣鈦礦實現高效載流子傳輸，（m） FA/MA混合器件正反掃效率差值<0.3%，PCE達23.1%。
（n） 低維鈣鈦礦效率總結顯示，n=5準二維結構（紅點）在效率-穩定性權衡中表現最優。（o-p）添加劑摻雜與無空穴傳輸層設計（o） 6 mol% MACl摻雜優化鈣鈦礦層堆疊致密性（插圖），冠軍器件PCE由18.7%提升至21.9%。（p） 無spiro-OMeTAD的器件通過M2P前驅體優化，最高PCE達17.3%，為簡化器件結構提供新思路。數據來源：（a-d） 引自：ACS, 2022（Ref. 68）；（e-h） 引自：Wiley, 2018（Ref. 69）；（i-k） 引自：Nature, 2018（Ref. 148）；
（l-n） 引自：Wiley, 2022（Ref. 70）；（o） 引自：ACS, 2020（Ref. 149）；
（p） 引自：Wiley, 2020（Ref. 150）。關鍵結論：1.界面鈍化：ImI處理與2D/3D異質結有效抑制界面/晶界缺陷，Voc與穩定性同步提升。2.添加劑調控：NH4SCN與MACl優化結晶質量與能級匹配，降低非輻射復合損失。3.維度工程：準二維結構（n=5）平衡載流子傳輸與穩定性，FA/MA梯度取向增強各向異性電荷提取。4.結構簡化：無HTL器件通過前驅體設計實現高效低成本，推動產業化應用。注：圖中可標注關鍵參數（如PCE、Voc、穩定性數據），并通過顏色對比（如紅色-高效、藍色-對照組）強化數據可視化。
Fig. 5 鈣鈦礦太陽能電池的雙面鈍化策略與添加劑穩定性優化。本圖通過雙面鈍化技術與Sn基鈣鈦礦添加劑工程，系統提升器件的效率輸出穩定性及耐環境老化能力：
（a-d）雙面鈍化抑制界面非輻射復合
（a） 雙面鈍化器件結構（鈣鈦礦層上下界面同步修飾），
（b） 鈍化組PCE波動范圍由±1.8%收窄至±0.5%，批次均一性顯著提升。
（c） 雙面鈍化最佳器件（紅色曲線）PCE達23.7%，填充因子（FF）從78%增至83%，Voc提升至1.18 V。
（d） MPP追蹤顯示鈍化器件（紅色）初始40秒瞬態波動降低（插圖），穩態效率（23.2%）與J-V測試值偏差<2%，遠優于對照組（偏差>8%）。
（e-i）Sn基添加劑增強結晶性與環境穩定性
（e） 含10% en-FASnI3添加劑的鈣鈦礦層截面SEM顯示晶粒尺寸增大至1.2 μm，針孔缺陷消失。
（f） 10% en-FASnI3器件（藍色曲線）PCE達20.1%，較無添加劑組（黑色）提升35%。
（g） 在AM1.5G光照、空氣環境中，含添加劑器件（紅色）500小時后PCE保持初始值92%，對照組（黑色）衰減至60%。
（h） 最優器件正反掃遲滯因子低至0.02，驗證添加劑對離子遷移的有效抑制。
（i） 封裝器件在室溫暗態存儲1500小時后效率保持95%，滿足產業化長期穩定性要求。
數據來源：
·
（a-d） 引自：ACS, 2020（Ref. 109）；
·
（e-i） 引自：Science, 2017（Ref. 115）。
關鍵結論：
00001.
雙面鈍化：同步修飾鈣鈦礦/ETL/HTL界面，降低載流子復合率，提升Voc與批次均一性。
00002.
添加劑工程：en-FASnI3優化Sn基鈣鈦礦結晶質量，協同抑制離子遷移與氧/水滲透。
00003.
環境魯棒性：添加劑修飾的未封裝器件在空氣中展示優異光熱穩定性，加速老化壽命超500小時。
00004.
遲滯效應：雙面鈍化與添加劑協同作用使遲滯因子趨近于零，適用于真實工況MPP追蹤。
總結與展望：PSC的核心挑戰在于長期穩定性、可擴展性及毒性問題。未來需通過鈍化技術、界面工程及精密晶體調控進一步優化材料，并探索混合維度的協同機制。柔性、輕質及多場景應用（如可穿戴設備）是潛在方向。推動PSC從實驗室走向市場，需在效率、成本與耐久性間實現突破，助力其成為清潔能源的關鍵技術。
轉自《石墨烯研究》公眾號
