全無機PK準二維！誰更能代表鈣鈦礦太陽能技術的未來

作為當下研究最為密集的光伏技術，鈣鈦礦太陽能發電技術在短短十年間取得了舉世矚目的偉大成就，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經突破25%，且緊逼單晶硅光伏電池26.7%的效率記錄。然而，高效率的鈣鈦礦電池的吸光層均采用帶有揮發性有機組分的雜化三維鈣鈦礦材料，易遭受水、熱、光和電場等因素誘導的環境運行不穩定性。因此，鈣鈦礦電池的穩定性提升幅度遠落后于其效率提升。為了更好地平衡鈣鈦礦電池的效率和穩定性，全無機鈣鈦礦和準二維鈣鈦礦成為十分熱門的兩大技術研究路線。顧名思義，全無機鈣鈦礦就是將原有雜化鈣鈦礦材料中脆弱的有機組分剔除，但仍保持其穩定的三維架構，如CsPbI₃、CsPbBr₃、CsSnI₃及Cs₂AgBiBr₆等。類似地，準二維鈣鈦礦就是采用大體積有機組分大幅取代小分子有機組分，破壞原有三維架構，形成穩定的準二維架構，如(BA)₂MA₃Pb₄I₁₃、(GA)MA₄Pb₄I₁₃、(BDA)MA₄Pb₅I₁₆及(PEA)₂MA₃Pb₄I₁₃等。鑒于此，本文從多個角度對全無機鈣鈦礦和準二維鈣鈦礦研究情況進行對比，并解讀它們之間的數據差異。

1、發文量對比

由圖可知，準二維鈣鈦礦（系列1）和全無機鈣鈦礦（系列2）在過去六年中的發文數量相差不多，總發文量均超過2000篇，且都呈現不斷上漲的發文趨勢，體現出兩種技術路線具有廣闊的發展空間，仍需更多的技術突破。

2、高占比研究作者和機構對比

從研究機構分布情況對比可以得出，全無機鈣鈦礦和準二維鈣鈦礦研究均以中國研究機構為主。其中，全無機鈣鈦礦研究集中在陜西師范大學、暨南大學、上海交通大學和蘭州大學等，而準二維鈣鈦礦研究則集中在陜西師范大學、西北大學、浙江大學、南京工業大學、和北京大學等，研究群體分布廣泛。不容忽視的是，陜西師范大學在全無機鈣鈦礦和準二維鈣鈦礦研究領域均具有不俗的發文貢獻。就國外研究團隊來說，澳大利亞新南威士大學在全無機鈣鈦礦方面和美國西北大學在準二維鈣鈦礦方面的發文量都是比較可觀的。

由研究作者情況對比表來看，Shengzhong Liu教授在全無機鈣鈦礦和準二維鈣鈦礦研究兩方面的發文量都比較突出。像Qunwei Tang、Yixin Zhao、Zhiwen Jin、Yabing?Qi和Hayase Shuzi等大牛在全無機鈣鈦礦上的發文量較多，代表著該領域研究的中堅力量。相對的，像Kanatzidis M G、Kui Zhao、Hongzheng Chen、Kai Zhu、Feng Gao和Qi Chen等大牛在準二維鈣鈦礦上的發文量也不少，整體上屬于當下較為火熱的研究學者。

3、太陽能電池效率對比

由準二維鈣鈦礦電池（n值<10）效率圖可以看出，首先，Ruddlesden-Popper(RP)相準二維鈣鈦礦太陽能電池（系列1）的研究占據絕對主導地位，研究起步可追溯至2014年，當時的電池效率低于5%，五年后效率被刷新至17.4%。其次，Dion-Jacobson(DJ)相準二維鈣鈦礦太陽能電池（系列3）的研究始于2018年，屬于剛起步的另一大類準二維鈣鈦礦材料，當前的效率記錄達到了17.9%，效率攀升驚人。最后，Alternating Cation in the Interlayer space(ACI)相準二維鈣鈦礦太陽能電池（系列2）的研究早在2017年，效率略高于6%，今年該效率被提升至18.5%，這也是準二維鈣鈦礦電池（n值<10）的世界效率記錄，完全可以媲美主流的三維有機-無機雜化鈣鈦礦電池性能。

由全無機鈣鈦礦電池效率圖可以看出，首先，CsPb(或Sn)I₃基鈣鈦礦太陽能電池（系列1）的研究起步最早，可追溯至2014年，當時的電池效率低于3%，五年后效率被刷新至19.0%，這是全無機鈣鈦礦電池的世界效率記錄，略高于準二維鈣鈦礦電池（n值<10）的世界效率記錄，兩者性能不相上下。其次，CsPb(或Sn)I₂Br基鈣鈦礦太陽能電池（系列1）的研究同始于2014年，屬研究最為廣泛的全無機鈣鈦礦材料，當前的效率記錄達到了18.6%，效率潛力巨大。再者，CsPb(或Sn)IBr₂基鈣鈦礦太陽能電池（系列3）的早期研究效率同樣很低，目前的效率記錄也僅實現了11.5%。另外，純溴系CsPb(或Sn)Br₃基鈣鈦礦太陽能電池（系列4）的帶隙更寬，但效率記錄同樣被提升至10.9%。最后，一些非鉛全無機鈣鈦礦（如Cs₃Bi₂I₉、Cs₂AgBiBr₆和Cs₃Sb₂I₉）基鈣鈦礦太陽能電池（系列6）的整體效率偏低（小于5%）。除此之外，全無機鈣鈦礦量子點（CsPb（或Sn）X₃）太陽能電池（系列5）的迅猛發展不容忽視，最高效率已突破17%，未來仍有很大的上升空間。

因此，從效率值來看，準二維鈣鈦礦電池與全無機鈣鈦礦基電池的最高效率相差無幾，呈齊頭并進之勢。從發展趨勢來看，準二維鈣鈦礦電池仍以RP相為主，而全無機鈣鈦礦基電池以CsPbI₃或CsPbI₂Br為主，且兩種電池大多數效率均超過10%。

4、太陽能電池穩定性對比

以上兩圖給出準二維鈣鈦礦電池和全無機鈣鈦礦基電池的代表性穩定性數據（初始效率>10%）。由全無機鈣鈦礦基電池穩定性數據得出隨著CsPbX₃中Br含量的增加，相應器件的穩定性呈明顯上漲趨勢，其中CsPbBr₃在85%RH高濕環境和85?℃熱壓下老化數千小時后性能衰減可忽略不計，穩定性極佳，但由于帶隙過寬導致器件性能整體偏低。CsPbI₂Br兼顧效率和穩定性，在85?℃下MPP光浸泡1000小時后仍能保留90%的初始性能。相對地，由準二維鈣鈦礦電池穩定性數據得出DJ相層狀鈣鈦礦電池的穩定性最為突出，在雙85條件下持續老化4000小時后性能幾乎無衰減。另外，研究最多的RP相層狀鈣鈦礦電池也表現出優異的耐濕性，在40%-70%RH高濕環境中暴露4600小時后可保留近100%的原有效率。

顯然地，全無機鈣鈦礦基電池中的CsPbI₂Br體系和準二維鈣鈦礦電池中的RP相體系之所以是研究最多的體系在于二者均兼顧高效和高穩定性。一方面，準二維鈣鈦礦的整體耐濕性更高，源于大陽離子的疏水性。另一方面，全無機鈣鈦礦基電池的耐熱性較為突出，尤其是高Br含量的全無機鈣鈦礦表現出卓越的高溫長期穩定性。兩種技術路線各有穩定性特色。

綜上所述，雖然全無機鈣鈦礦和準二維鈣鈦礦在近五年來取得長足發展，最高電池效率也均超過18%，但兩種技術體系的整體效率仍然遠落后于高效的有機-無機雜化鈣鈦礦電池，這種效率差距在未來較長時間內也可能無法彌補。縱然如此，兩種技術體系均表現出優于有機-無機雜化鈣鈦礦電池的長期穩定性。效率固然重要，但穩定性才是制約鈣鈦礦電池未來發展的重要因素。借鑒于兩種技術路線的優勢，2D/3D混合維和堿金屬（K、Rb和Cs）摻雜在現有的有機-無機雜化鈣鈦礦電池體系中正在大放異彩，更深入的技術融合勢必會推動鈣鈦礦電池更上臺階。

本文由bbbbbbioy供稿。

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