综述：第三代太阳能电池材料与性能挑战的全面综述

《Materials Research Bulletin》：Comprehensive Review of Materials and Performance Challenges in Third-Generation Solar Cells

本文系统评述了第三代太阳能电池（钙钛矿、染料敏化、有机及量子点敏化）的机理、材料创新与性能瓶颈，通过定量对比分析其效率（8-26%）、稳定性及商业化潜力，指出界面工程、缺陷调控与新型材料设计是突破关键。

　　

Fatma Abd Elwahab|Hanan Elhaes|Ahmed Ghitas|Mervat Abd ElAal|M. Abdelhamid Shahat

埃及开罗Helwan 11421，国家天文与地球物理研究所（NRIAG）太阳能与空间研究部门光伏单元

摘要

随着现代技术的发展，全球对能源的需求不断增加，这加速了传统化石燃料资源的枯竭。化石燃料是不可再生的，同时也是温室气体排放和气候变化的主要来源。为了克服这些限制，可再生能源——尤其是太阳能——因其丰富性、可持续性和环境友好性而成为有前景的替代品。虽然第一代晶体硅太阳能电池的认证转换效率（PCE）仍超过26%，但其高昂的生产成本和严格的制造工艺仍然是主要障碍。第二代薄膜技术虽然降低了生产成本，但效率通常在10-18%之间。为了提供更清晰的比较视角，本文综合了对第三代太阳能电池的定量评估：染料敏化太阳能电池（DSSCs）的效率通常为8-14%，有机太阳能电池（OSCs）达到16-20%，而钙钛矿太阳能电池（PSCs）的认证效率已超过26%，接近晶体硅的水平。这些技术还具有重量轻、机械柔韧性好、制造简便和环境影响较小的优势。本文系统地讨论了第三代太阳能电池的基本组成、工作原理以及最近在材料和器件方面的进展，并批判性地分析了关键性能参数，包括开路电压（V_oc）、填充因子（FF）、短路电流密度（J_sc）和整体效率，同时指出了商业化过程中仍存在的挑战和未来机遇。通过这种定量的对比分析，本文为DSSCs、OSCs和PSCs在可持续能源领域的应用提供了更清晰、更有结构的评估。

引言

对先进光伏（PV）技术需求的加速推动，使研究重点转向了能够克服第一代和第二代设备固有局限性的太阳能电池系统[1]。尽管已经取得了显著进展，但这些早期技术仍面临高加工成本、结构刚性和长期性能下降等主要限制，这些因素限制了它们的可扩展性和商业竞争力[2]。因此，第三代太阳能电池（如有机太阳能电池（OSCs）、染料敏化太阳能电池（DSSCs）、量子点敏化太阳能电池（QDSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其可调的光电特性和适合低温溶液加工的制造工艺而成为有前景的替代品[3]。

其中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其出色的光电特性而受到特别关注，这些特性包括长的载流子扩散长度、可调的带隙和高吸收系数[4],[5]。基于溶液的制造工艺可以实现低成本的高产量生产[6]。由于最近的发展，PSCs已成为下一代太阳能应用中最有前景的选择之一，其转换效率（PCE）已超过25%[7]。此外，它们与柔性基板的兼容性使得便携式和轻量级的光伏设备的制造成为可能[8],[9]。有机太阳能电池（OSCs）是另一类第三代光伏技术，利用碳基半导体实现高效的光吸收和电荷传输[10]。这些材料，包括共轭小有机分子和聚合物，可以通过低能耗工艺合成，从而减少太阳能电池生产对环境的影响[11]。OSCs因其机械柔韧性、可卷对卷制造潜力以及轻量化特点而特别吸引人[12],[13]。然而，长期暴露在环境条件下的稳定性问题以及相对于硅基太阳能电池较低的效率仍然是研究的热点[14]。染料敏化太阳能电池（DSSCs）通过使用光敏染料分子生成电子-空穴对，提供了一种独特的光伏能量转换方法[15],[16]。DSSCs以其低成本制造、半透明性和在散射光条件下工作的能力而著称，适用于建筑集成光伏和室内能量收集等应用[17]。尽管具有这些优势，DSSCs在效率和长期稳定性方面仍存在局限，尤其是由于电解质降解和染料脱附[18]。

量子点敏化太阳能电池（QDSCs）使用纳米晶体半导体量子点作为光吸收剂，具有可调的带隙和多重激子生成潜力[19]。QDSCs是一类新兴的第三代光伏器件，其可调的光电特性源于量子限制效应。它们尺寸依赖的带隙使得它们能够在整个太阳光谱范围内实现宽范围的吸收，而多重激子生成（MEG）的潜力使其理论效率超过传统敏化剂[20]。QDSCs受益于低成本的溶液制造方法，包括旋涂、连续离子层吸附和反应（SILAR）以及化学浴沉积，使其适用于轻质和柔性基板。然而，实际应用中的进展仍受到多种因素的阻碍[16]。表面陷阱状态导致非辐射复合增加，而量子点在潮湿、高温和氧气暴露下的不稳定性和电荷提取效率低下限制了其使用寿命[9]。最近的研究集中在通过先进的钝化策略（例如CdSe/ZnS和PbS/CdS这样的核壳量子点）、配体交换工程来增强电荷传输，以及优化TiO₂或ZnO光阳极结构以促进电子注入[21],[22]。此外，开发环境友好的量子点（包括碳量子点和钙钛矿量子点）为提高稳定性和减少毒性问题开辟了新途径。尽管最先进的QDSCs已实现12-15%的效率，但进一步提高稳定性、表面化学性质和可扩展合成对于其实际应用至关重要[23]。

尽管取得了快速进展，第三代光伏技术仍存在显著的研究空白。这些问题包括在实际应用条件下的操作稳定性不足、界面复合损失、大规模模块制造的相关挑战，以及缺乏跨技术性能评估的标准化基准指标[24]。此外，现有文献仍缺乏将材料级设计策略与长期可靠性和商业准备度联系起来的统一视角。

最近的研究在第三代太阳能电池的材料工程策略方面取得了显著进展。例如，Achref Jebnouni等人[25]强调了基于富勒烯的纳米结构在增强电荷传输和电子迁移率方面的关键作用，尤其是在有机光伏系统中[25]。同样，Mohammad Shariq等人[26]报告称，氮掺杂的碳量子点（N-CQDs）可以通过抑制电荷复合和增强DSSCs及相关光电应用中的光电流生成来有效提高器件性能[26]。Mustafa S. Alluhaibi等人[27]强调了金属-有机框架（MOF）衍生材料在优化界面性质、改善能级对齐和增强长期器件稳定性方面的潜力[27]。Aeshah Alasmari等人[28]展示了基于石墨烯的纳米复合材料在钙钛矿太阳能电池中显著提高激子解离、电导率和环境稳定性[28]。Firoz Khan等人[29]对混合卤化物钙钛矿中的卤素化学计量进行了详细研究，揭示了开路电压和电流密度之间的关键权衡，这些因素直接影响器件性能[29]。尽管取得了这些进展，大多数现有研究仍集中在单一材料系统或特定器件架构上，缺乏将材料设计策略与不同第三代太阳能电池技术的性能限制和长期稳定性系统关联起来的统一框架。因此，本文旨在通过提供对PSCs、DSSCs和QDSCs的最新发展的全面和批判性分析，填补这一空白，为这一快速发展的领域提供更广阔的视角。

与以往的综述文章不同，本文通过结合截至2024年的性能和稳定性数据，提供了对第三代太阳能电池的全面和更新的比较分析，从而做出了独特的贡献。本文总结了PSCs、DSSCs和OSCs在转换效率、器件寿命、毒性考虑、成本-功率指标和可扩展性挑战方面的最新趋势。此外，它还整合了建模、界面工程和纳米尺度形态优化的最新进展，以阐明控制器件操作和降解的机制因素。这种跨技术的综合视角为研究人员提供了更严谨、数据驱动和最新的科学及实际理解，使本文成为该领域的一个独特且及时的资源。

第三节片段

PSCs的进展

在过去十年中，研究人员在改进PSCs的不同方面付出了巨大努力，如图1所示[30]。早期研究主要集中在制造更平滑、更均匀的钙钛矿薄膜上，但后来的研究表明层间的界面同样重要[31],[32],[33],[34],[35]。通过使用界面工程[36]并在钙钛矿或传输层中添加少量添加剂，科学家们能够减少缺陷、限制离子迁移并改善性能

第三代太阳能电池的合成

第三代太阳能电池——包括PSCs、DSSCs和OSCs——通常采用低成本、基于溶液或气相的方法制造[3]。对于钙钛矿电池，常用的方法有旋涂、浸涂或刀片涂布，随后通常进行热退火或抗溶剂处理以提高结晶度[98]。气相方法如热共蒸发或化学气相沉积（CVD）也被用于制造致密、更均匀的薄膜

PSCs

通常，PSC器件由一个活性层（钙钛矿吸收层）组成，该层夹在用于超薄载流子传输的材料之间，如ETLs和HTLs。所有这些层都沉积在涂有透明导电氧化物（TCO）的玻璃基板上，TCO作为前电极[102]。金属层位于其上方，作为电池的后电极。如图5所示为PSC的设计。

HTL和ETL

在PSCs中，使用某些材料来

PSCs

下面展示了PSC的详细工作原理。基于半导体的太阳能电池利用光伏效应将太阳辐射转换为电能[290]。一些具有足够激发能量（E > Eg）的光子被太阳能电池中的钙钛矿层吸收，激发电子进入导带并在价带产生空穴[291]，如图11所示。

如下面所示，确定太阳能电池中吸收层的带隙。

PSCs

根据层沉积顺序和结构，PSC结构分为四类：介孔PSC、平面PSC、反相介孔PSC和反相平面PSC，这是PSC结构中的四种新进展[299]，如图15所示。

介孔PSC (n-i-p)

近年来，由于介孔钙钛矿太阳能电池（MPSCs）具有高效率、低成本组件和易于生产的优点，受到了越来越多的关注。通常，MPSCs的ETL支架中包含纳米孔[300]。

结论

向可再生能源的转变突显了利用地球上丰富的太阳能资源发电的重要性。研究光伏能量转换技术（利用光伏效应将阳光转换为电能）的重点在于降低生产成本并增加全球太阳能光伏能量的产量。在新兴技术中，第三代太阳能电池——包括PSCs、OSCs和DSSCs——显示出巨大的潜力

未引用的参考文献

[79]

CRediT作者贡献声明

M. Abdelhamid Shahat：撰写——审稿与编辑，验证。Fatma Abd Elwahab：撰写——初稿，验证。Hanan Elhaes：撰写——审稿与编辑，监督。Ahmed Ghitas：监督，数据管理。Mervat Abd ElAal：监督，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了埃及国家天文与地球物理研究所（NRIAG）和Ain Shams大学的支持。