全无机PK准二维！谁更能代表钙钛矿太阳能技术的未来

原创 bbbbbbioy 材料人

为当下研究最为密集的光伏技术，钙钛矿太阳能发电技术在短短十年间取得了举世瞩目的伟大成就，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破25%，且紧逼单晶硅光伏电池26.7%的效率记录。然而，高效率的钙钛矿电池的吸光层均采用带有挥发性有机组分的杂化三维钙钛矿材料，易遭受水、热、光和电场等因素诱导的环境运行不稳定性。因此，钙钛矿电池的稳定性提升幅度远落后于其效率提升。为了更好地平衡钙钛矿电池的效率和稳定性，全无机钙钛矿和准二维钙钛矿成为十分热门的两大技术研究路线。顾名思义，全无机钙钛矿就是将原有杂化钙钛矿材料中脆弱的有机组分剔除，但仍保持其稳定的三维架构，如CsPbI₃、CsPbBr₃、CsSnI₃及Cs₂AgBiBr₆等。类似地，准二维钙钛矿就是采用大体积有机组分大幅取代小分子有机组分，破坏原有三维架构，形成稳定的准二维架构，如(BA)₂MA₃Pb₄I₁₃、(GA)MA₄Pb₄I₁₃、(BDA)MA₄Pb₅I₁₆及(PEA)₂MA₃Pb₄I₁₃等。鉴于此，本文从多个角度对全无机钙钛矿和准二维钙钛矿研究情况进行对比，并解读它们之间的数据差异。

发文量对比

由图可知，准二维钙钛矿（系列1）和全无机钙钛矿（系列2）在过去六年中的发文数量相差不多，总发文量均超过2000篇，且都呈现不断上涨的发文趋势，体现出两种技术路线具有广阔的发展空间，仍需更多的技术突破。

高占比研究作者和机构对比

从研究机构分布情况对比可以得出，全无机钙钛矿和准二维钙钛矿研究均以中国研究机构为主。其中，全无机钙钛矿研究集中在陕西师范大学、暨南大学、上海交通大学和兰州大学等，而准二维钙钛矿研究则集中在陕西师范大学、西北大学、浙江大学、南京工业大学、和北京大学等，研究群体分布广泛。不容忽视的是，陕西师范大学在全无机钙钛矿和准二维钙钛矿研究领域均具有不俗的发文贡献。就国外研究团队来说，澳大利亚新南威士大学在全无机钙钛矿方面和美国西北大学在准二维钙钛矿方面的发文量都是比较可观的。

由研究作者情况对比表来看，Shengzhong Liu教授在全无机钙钛矿和准二维钙钛矿研究两方面的发文量都比较突出。像Qunwei Tang、Yixin Zhao、Zhiwen Jin、Yabing Qi和Hayase Shuzi等大牛在全无机钙钛矿上的发文量较多，代表着该领域研究的中坚力量。相对的，像Kanatzidis M G、Kui Zhao、Hongzheng Chen、Kai Zhu、Feng Gao和Qi Chen等大牛在准二维钙钛矿上的发文量也不少，整体上属于当下较为火热的研究学者。

太阳能电池效率对比

由准二维钙钛矿电池（n值<10）效率图可以看出，首先，Ruddlesden-Popper(RP)相准二维钙钛矿太阳能电池（系列1）的研究占据绝对主导地位，研究起步可追溯至2014年，当时的电池效率低于5%，五年后效率被刷新至17.4%。其次，Dion-Jacobson(DJ)相准二维钙钛矿太阳能电池（系列3）的研究始于2018年，属于刚起步的另一大类准二维钙钛矿材料，当前的效率记录达到了17.9%，效率攀升惊人。最后，Alternating Cation in the Interlayer space(ACI)相准二维钙钛矿太阳能电池（系列2）的研究早在2017年，效率略高于6%，今年该效率被提升至18.5%，这也是准二维钙钛矿电池（n值<10）的世界效率记录，完全可以媲美主流的三维有机-无机杂化钙钛矿电池性能。

由全无机钙钛矿电池效率图可以看出，首先，CsPb(或Sn)I₃基钙钛矿太阳能电池（系列1）的研究起步最早，可追溯至2014年，当时的电池效率低于3%，五年后效率被刷新至19.0%，这是全无机钙钛矿电池的世界效率记录，略高于准二维钙钛矿电池（n值<10）的世界效率记录，两者性能不相上下。其次，CsPb(或Sn)I₂Br基钙钛矿太阳能电池（系列1）的研究同始于2014年，属研究最为广泛的全无机钙钛矿材料，当前的效率记录达到了18.6%，效率潜力巨大。再者，CsPb(或Sn)IBr₂基钙钛矿太阳能电池（系列3）的早期研究效率同样很低，目前的效率记录也仅实现了11.5%。另外，纯溴系CsPb(或Sn)Br₃基钙钛矿太阳能电池（系列4）的带隙更宽，但效率记录同样被提升至10.9%。最后，一些非铅全无机钙钛矿（如Cs₃Bi₂I₉、Cs₂AgBiBr₆和Cs₃Sb₂I₉）基钙钛矿太阳能电池（系列6）的整体效率偏低（小于5%）。除此之外，全无机钙钛矿量子点（CsPb（或Sn）X₃）太阳能电池（系列5）的迅猛发展不容忽视，最高效率已突破17%，未来仍有很大的上升空间。

因此，从效率值来看，准二维钙钛矿电池与全无机钙钛矿基电池的最高效率相差无几，呈齐头并进之势。从发展趋势来看，准二维钙钛矿电池仍以RP相为主，而全无机钙钛矿基电池以CsPbI₃或CsPbI₂Br为主，且两种电池大多数效率均超过10%。

太阳能电池稳定性对比

以上两图给出准二维钙钛矿电池和全无机钙钛矿基电池的代表性稳定性数据（初始效率>10%）。由全无机钙钛矿基电池稳定性数据得出随着CsPbX₃中Br含量的增加，相应器件的稳定性呈明显上涨趋势，其中CsPbBr₃在85%RH高湿环境和85 ℃热压下老化数千小时后性能衰减可忽略不计，稳定性极佳，但由于带隙过宽导致器件性能整体偏低。CsPbI₂Br兼顾效率和稳定性，在85 ℃下MPP光浸泡1000小时后仍能保留90%的初始性能。相对地，由准二维钙钛矿电池稳定性数据得出DJ相层状钙钛矿电池的稳定性最为突出，在双85条件下持续老化4000小时后性能几乎无衰减。另外，研究最多的RP相层状钙钛矿电池也表现出优异的耐湿性，在40%-70%RH高湿环境中暴露4600小时后可保留近100%的原有效率。

显然地，全无机钙钛矿基电池中的CsPbI₂Br体系和准二维钙钛矿电池中的RP相体系之所以是研究最多的体系在于二者均兼顾高效和高稳定性。一方面，准二维钙钛矿的整体耐湿性更高，源于大阳离子的疏水性。另一方面，全无机钙钛矿基电池的耐热性较为突出，尤其是高Br含量的全无机钙钛矿表现出卓越的高温长期稳定性。两种技术路线各有稳定性特色。

综上所述，虽然全无机钙钛矿和准二维钙钛矿在近五年来取得长足发展，最高电池效率也均超过18%，但两种技术体系的整体效率仍然远落后于高效的有机-无机杂化钙钛矿电池，这种效率差距在未来较长时间内也可能无法弥补。纵然如此，两种技术体系均表现出优于有机-无机杂化钙钛矿电池的长期稳定性。效率固然重要，但稳定性才是制约钙钛矿电池未来发展的重要因素。借鉴于两种技术路线的优势，2D/3D混合维和碱金属（K、Rb和Cs）掺杂在现有的有机-无机杂化钙钛矿电池体系中正在大放异彩，更深入的技术融合势必会推动钙钛矿电池更上台阶。

本文由bbbbbbioy供稿。

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