稳定且环保的无铅无机钙钛矿太阳能电池：结构、电子与缺陷工程

为何更清洁的太阳能材料至关重要

太阳能电池通常被视为化石燃料的清洁替代品，但许多当今效率最高的太阳能电池依赖含有有毒铅和易碎有机组分的化合物。本文综述了一类新型太阳能材料——完全无机、无铅的钙钛矿，旨在保留现有器件出色的光捕获能力，同时大幅提升安全性和耐久性。对于关心清洁能源未来的读者，它提供了该领域发展方向的总体地图以及仍需克服的关键障碍。

构建更坚固的太阳晶体

钙钛矿是一类在吸收阳光和传输电荷方面表现优异的晶体结构。目前性能最好的版本在晶格的一个位置采用有机分子，而另一个位置使用铅。不幸的是，有机组分在高温、潮湿和强光下易分解，而铅则带来严重的环境和健康隐患。因此研究人员转向完全无机的设计，用铯取代有机成分，用毒性更低的金属替代铅。文章比较了几类此类材料——基于锡和锗、基于铋和锑，以及银–铋“二元”钙钛矿——并解释了晶体形状与键合的细微变化如何决定太阳能性能的成败。

用锡和锗替代铅

在电学性质上最接近铅的是锡和锗，它们可形成三维钙钛矿框架，对可见光有强吸收，并且在理论上可以与最佳铅基材料相媲美。特别是锡基材料可以达到接近理想的太阳能转换带隙，并能将电荷传输到微米尺度，与现有商业级钙钛矿相当。问题在于锡和锗更易氧化。这种化学脆弱性会在晶体中产生缺陷，像微小坑洞一样俘获电荷，把有用能量转化为热。综述描述了如何通过精确控制成分、加工温度以及使用助剂来减缓氧化、平滑薄膜生长并显著延长器件寿命，使一些锡基电池的效率超过14%。

将低维晶体变成更好的光收集器

铋和锑基钙钛矿则是相反的权衡：它们在化学上更为稳健、抗潮性好，但原子以低维簇或层状结构而非完全连通的三维网络相连。这种几何结构易于将电荷局限，且通常出现间接带隙，因此光子转换为电能的效率较低。作者展示了如何通过改变离子配比、引入更小或更大的阳离子，或部分替换卤素离子来促使这些结构向更连通的排列转变，从而改善电荷迁移率。表面处理与精细调控的生长条件也有助于减少充当“杀手”的深能级缺陷。尽管如此，这类更安全的化合物的效率仍然有限，通常处于低个位数百分比范围。

设计双钙钛矿并驯服缺陷

另一条有前景的途径是将每对铅原子替换为一种+1价金属（如银）和一种+3价金属（如铋）的组合，形成所谓的双钙钛矿。这些材料结构上稳定，对激发电荷显示出意外长的寿命，然而它们通常具有相对宽且常为间接的带隙，限制了可收集的太阳光量。综述强调了缩小和重塑这些带隙的策略——例如掺杂其他金属、通过应变轻微扭曲晶体或在金属排列中引入可控无序。在所有家族中，一个统一的观点是：原子轨道如何构成能带的顶端和底端在很大程度上决定了会出现何种缺陷，无论是浅而无害，还是深而破坏性强。成功的工程策略通过同时调控带边和缺陷景观，使复合损失降到最低。

从实验室好奇心走向现实电源

展望未来，文章认为无铅无机钙钛矿有望成为新一代更安全的太阳模块的基础，包括通过叠层不同吸收层的串联器件来从阳光中榨取更多能量。要实现这一目标，科学家仍需解决若干纠缠的问题：在不牺牲薄膜质量的前提下防止锡和锗氧化、减弱铋和锑框架的电荷陷阱倾向、在界面处精确匹配能级，以及开发可扩展的涂覆方法以在大面积上获得均匀且缺陷少的薄膜。通过在晶体化学、加工工艺和真实条件下长期测试方面的协调进展，这些材料有望提供不仅高效，而且坚固且对环境负责的太阳能电池。

引用: Jang, W.J., Park, P.J., Ong, WJ. et al. Stable and eco-friendly inorganic lead-free perovskite solar cells: structural, electronic, and defect engineering. Commun Mater 7, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01158-1

关键词: 无铅钙钛矿, 无机太阳能电池, 锡基钙钛矿, 铋与锑钙钛矿, 双钙钛矿光伏