近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其在光电转换效率（PCE）方面的显著提升而备受关注。PSCs的PCE已从最初的3.8%增长至目前超过26%，这一进展使其成为一种极具潜力的清洁能源技术。除了高效率，PSCs还具备低成本和可扩展制造的优势，其基于溶液工艺和低温加工（通常不超过150°C）的特性，使其在商业化进程中更具吸引力。此外，双面电极设计使得这些太阳能电池能够从两侧收集光能，特别适用于建筑一体化光伏（BIPV）等应用场景，例如与窗户结合使用。然而，尽管PSCs在性能方面表现出色，其长期运行稳定性仍面临严峻挑战，尤其是在高温、高湿和光照等环境应力下容易发生性能衰减和结构破坏。
钙钛矿材料本身对水分、氧气和热的敏感性是影响其稳定性的关键因素。例如，甲基铵铅碘（MAPbI₃）、甲脒铅碘（FAPbI₃）和铯铅碘（CsPbI₃）等常见钙钛矿材料在潮湿环境中会迅速分解为铅碘（PbI₂），从而导致器件性能下降和使用寿命缩短。为应对这一问题，研究人员通过成分工程策略对钙钛矿材料进行了深入研究，试图通过调控A、B和X位点的离子组成来提高其结构和环境稳定性。例如，通过引入铯离子（Cs⁺）可以增强材料的热稳定性，减少相变的发生；而通过部分替换卤素离子（I⁻）为溴（Br⁻）或氯（Cl⁻）则有助于调整能带结构，提高光稳定性。此外，近年来也有研究探索将铅离子（Pb²⁺）替换为毒性较低的锡（Sn²⁺）或锗（Ge²⁺），以降低对环境的影响并拓展其光吸收范围至近红外区域，从而进一步提升电流密度。
尽管成分工程在一定程度上改善了钙钛矿材料的内在稳定性，但界面工程同样至关重要。在n-i-p结构的PSCs中，空穴传输材料（HTMs）和电子传输材料（ETMs）的选择和优化直接影响器件的效率和寿命。有机HTMs如spiro-OMeTAD和PTAA因其优异的电荷传输性能而被广泛使用，但它们通常依赖化学掺杂剂（如Li-TFSI和tBP）以提高导电性，这反而带来了水分敏感性、离子迁移和界面降解等问题。因此，研究人员开始探索无掺杂的聚合物材料和复合结构，以减少这些不利影响。例如，采用双层结构可以有效抑制水分和离子的渗透，同时提高电荷提取效率。一些研究还引入了具有特定功能的分子界面修饰层，如苯并-18-冠-6醚（B18C6）和菲咯啉（ferrocene），这些材料能够通过形成强的主客体相互作用来捕获铅离子和锂离子，从而减少界面缺陷密度并防止离子迁移。实验结果显示，使用B18C6修饰的PSCs在高温高湿环境下仍能保持较高的初始PCE，且在长时间运行后表现出优异的稳定性。
除了分子修饰，界面工程还关注电荷传输层的优化。研究者发现，通过调整电荷传输层的能级匹配和电荷传输特性，可以显著减少非辐射复合损失，提高开路电压（VOC）和填充因子（FF）。例如，一些新型的无掺杂聚合物材料被设计用于替代传统掺杂型HTMs，以减少对水分和氧气的敏感性。同时，采用二维钙钛矿作为界面钝化层也被认为是一种有效的策略，因为它能够通过形成紧密的界面接触来抑制缺陷态的形成，提高电荷传输效率。然而，二维钙钛矿与三维钙钛矿之间的能级不匹配可能会影响整体性能，因此需要进一步优化其界面结构以实现高效的电荷传输。
在电子传输材料方面，钛氧化物（TiO₂）和锡氧化物（SnO₂）等无机材料因其优异的电子传输能力和稳定性而受到青睐。TiO₂通常具有较宽的带隙（3.0–3.2 eV），但其表面容易形成陷阱态，这会阻碍电子传输并降低器件效率。为解决这一问题，研究人员采用化学浴沉积（CBD）等方法合成TiO₂，并通过引入酸性配体（如酒石酸）来钝化表面氧空位，从而提高其电荷传输性能和长期稳定性。实验结果表明，经过酒石酸修饰的TiO₂（LD-TiO₂）不仅具有更光滑的表面，还表现出更高的光电转换效率（PCE），并且在紫外光照射下保持了更好的稳定性。同样，SnO₂由于其更宽的带隙（3.6–4.1 eV）和更深的导带，被认为是一种更优的电子传输材料，但其表面存在氢氧根（OH⁻）缺陷，这些缺陷可能引发电荷积累和界面降解。通过使用NH₄F进行表面处理，研究人员成功地减少了SnO₂表面的氢氧根缺陷，并调整了其费米能级，从而提高了电子传输效率和器件稳定性。
此外，研究者还探索了碳基电极作为传统贵金属电极的替代方案。碳材料如碳浆、碳纳米管（CNTs）和石墨烯因其良好的电荷传输能力和对水分和离子迁移的强抗性而备受关注。这些材料能够有效促进空穴提取，同时减少因水分渗透和离子迁移导致的性能衰减。然而，碳基电极在实际应用中仍面临一些挑战，如提高电极的接触性能、增强其导电性以及提升环境友好性。为此，研究者正在开发新型的碳基材料和结构，以实现更高的效率和更长的使用寿命。例如，通过优化碳材料的表面处理和结构设计，可以显著改善其与钙钛矿层之间的接触质量，从而提高整体器件性能。
在评估PSCs的稳定性时，国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）制定了一系列标准化测试协议，以确保不同实验室之间测试结果的一致性和可比性。这些协议涵盖了多种环境应力条件，包括暗存储（ISOS-D）、光照射（ISOS-L）、户外暴露、热循环以及光-湿度-热循环测试。其中，ISOS-D和ISOS-L是最常用于评估器件长期稳定性的测试方法。ISOS-D测试主要考察器件在无光条件下对氧气、水分和高温的耐受能力，而ISOS-L测试则关注器件在持续光照下的稳定性，包括离子迁移和相分离等现象。通过这些测试，研究者能够更全面地了解钙钛矿材料在不同环境下的降解机制，并据此优化材料和器件结构。
为了进一步提升PSCs的稳定性，研究者还尝试了多种界面修饰策略。例如，通过引入具有特定功能的分子层，如含有醚基和甲氧基的材料，可以有效减少界面缺陷并提高器件的水接触角，从而增强其对水分的抵抗力。此外，通过控制电荷传输层的厚度和均匀性，也可以减少界面处的非辐射复合损失，提高电荷提取效率。这些策略不仅有助于提升器件的效率，还能够显著延长其使用寿命，使其更适用于实际应用场景。
在实际应用中，PSCs的稳定性问题仍然是制约其商业化的主要障碍。为了解决这一问题，研究人员正在探索多种创新策略，包括无掺杂聚合物材料、双层结构、二维钙钛矿钝化层以及碳基电极等。这些策略不仅能够提高器件的环境稳定性，还能够改善其电荷传输性能，从而实现更高的光电转换效率。同时，通过引入新型的界面修饰材料和优化电极结构，研究者希望能够进一步降低器件的制造成本，并提高其可扩展性，使其更适用于大规模生产和实际应用。
综上所述，钙钛矿太阳能电池在性能和制造成本方面具有显著优势，但其长期运行稳定性仍需进一步提升。通过深入研究界面工程和电极优化策略，研究人员正在努力克服这些挑战，以实现更高效、更稳定的钙钛矿太阳能电池。未来的研究方向可能包括开发更先进的材料体系、优化器件结构设计以及探索更高效的稳定性评估方法，以推动钙钛矿太阳能电池向商业化应用迈进。
