晶体硅作为第一代太阳能电池已经发展了近50年，为了进一步降低生产成本，人们提出了许多新的技术，包括基于蒸汽沉积方法（vapor-deposited）制备的第二代薄膜太阳能电池（例如，CdTe和CIGS），和基于溶液处理（solution-processed）制备的第三代有机、无机、杂化太阳能电池。相较于前两代，第三代太阳能电池基于钙钛矿（Perovskites）结构，在保证较高能量转换效率（PCE）的同时，兼顾生产成本和制造成本低廉的优势，因此被视为传统太阳能电池的有利替代者。 2013年10月，牛津大学物理系教授、OxfordPV创始人Henry J. Snaith教授对该领域的一些突破和发展进行了总结，文章发表在JPCL杂志上，目前已有2642次引用。
钙钛矿现象
钙钛矿结构通常标记为，基于该结构可以实现具备不同属性的材料，包括绝缘体、反铁电体，压电体，热电体，半导体，导体以及超导体。传统构造钙钛矿材料的方式包括：高温（下的固体合成（solid-state synthesis）方式，或者利用前体盐的干燥溶液（dried solutions of precursor salts）制备钙钛矿半导体。早在90年代，Mitzi, D. B.等人就已经发现层状有机金属钙钛矿具有很大的激子束缚能，可以应用于发光材料，但是否可以应用于光伏（PV）材料，还有待考究。
钙钛矿敏化太阳能电池
早期钙钛矿材料被设计为染料敏化（dye-sensitized）太阳能电池（DSSCs）结构中的吸收层。DSSCs主要由三部分组成：介孔（mesoporous）n-type ，光吸收染料用于敏化，以及氧化还原活性电解质（redox-active electrolyte）。最原始的DSSC结构要求薄膜至少厚度才能使染料在光吸收区域尽可能完整的吸收光。这对于固态DSSCs（ssDSSCs）来说是不现实的，因为种种原因限制ssDSSCs的厚度要小于。出于对厚度以及光活性区间的考虑，2006年到2008年间，T. Miyasaka等人制备了世界上第一个基于和吸收层的钙钛矿敏化太阳能电池，在固态和液态电解质填充下PCE可以分别达到和。钙钛矿敏化结构见 Figure 1，其中太阳能电池光电转换效率（IPCE），又称量子效率，定义为单位时间内外电路中产生的电子数与单位时间内的入射单色光子数之比，反应了太阳能电池对单一波长入射光的吸收能力。 2009年时，基于吸收层的染料敏化太阳能电池PCE已经达到了。2011年，N. G. Park等人通过优化表面和钙钛矿处理，得到了一个的液态电解质太阳能电池。钙钛矿敏化电池中钙钛矿吸收层以孤立量子点的形式存在，因此也可以被分类为量子点敏化太阳能电池（quantum-dot-sensitized solar cell）。
基于液态电解质的钙钛矿敏化电池的劣势在于钙钛矿吸收层会在电解质中溶解或者分解，导致电池效率在几分钟内迅速下降，通过将电解质替换为固态空穴传输层可以解决这一问题。最早在2008年，Miyasaka等人率先尝试用有机空穴传输层填充电池，制备了第一个不易溶解的钙钛矿敏化太阳能电池。2012年，Henry J. Snaith和N. G. Park教授分别与其各自的合作者，几乎同时发展了基于空穴传输层的https://doi.org/10.1126/science.1228604和https://doi.org/10.1038/srep00591钙钛矿电池，PCE可以达到到。这是钙钛矿太阳能电池领域里程碑式的工作。相较于传统的染料，钙钛矿吸收层可以在厚度的薄膜上实现更广范围的吸收，打破了传统ssDSSCs厚度的限制。
介观超结构太阳能电池
相较于传统的DSSCs，钙钛矿敏化太阳能电池具有更快的电荷输运速率，这可能是由于钙钛矿影响了表面态以及自陷态浓度，或者是钙钛矿层本身的长程电子输运在整个结构中占据了较大的比重。为了研究钙钛矿相的输运机制，Henry J. Snaith教授组用绝缘的介孔替换，发现不仅仅是电荷输运更快了，光电流强度没有受到影响，而且开路电压由提高到了, 从而使PCE提高到了，通过量化吸收层光带隙（optical band gap）和开路电压（open-circuit voltage）之间的差异，可以发现入射光子到电子之间的能量损失非常小。这种新构建的框架不再保有原始DSSC任何组成成分，是一种全新的太阳能电池，被称作介观-超结构（Meso-superstructured）太阳能电池（MSSC），内部具体的电荷输运方案见Figure 2。
p-i-n异质结太阳能电池
Henry J. Snaith教授研究发现具有厚度的固态薄膜钙钛矿吸收层，可以良好的同时输运电子和空穴，从而表明钙钛矿层具有双极性输运性质。2013年，Henry J. Snaith教授组基于蒸汽沉积方法构建了一个平面异质结钙钛矿太阳能电池，采用薄膜positive(p)-intrinsic(i)-negative(n)框架， 可以使PCE最高达到，进一步证明了钙钛矿半导体良好的双极性输运性质。因此合理的控制钙钛矿吸收层同p-和n-type材料的接触端性质，可以更好的提高p-i-n异质结钙钛矿太阳能电池的性能。
同其它太阳能电池比较
钙钛矿太阳能电池最大的特点是在充分的太阳光照射下，可以产生较高的开路电压。对于太阳能电池而言，能量低于吸收层材料带隙的光子不会被吸收，那些光激发到更高能带的电子最终将弛豫到最低导带，并释放热能。开路电压反映了太阳能电池能从任意被吸收光子身上所提取的最大能量。用于产生电荷的最低能量的被吸收光子（即能量为带隙值）处的电势，同最大太阳光照射下太阳能电池的开路电压之间的差异可以被用于简单的评估该电池的基本能量损失，或者是loss-in-potential。根据Shockley−Queisser估计，由于热动力学限制，最小的能量损失在之间，具体取决于带隙。利用这个度量方式，我们可以比较当前所有太阳能电池的性能，具体结果见Figure 3。钙钛矿太阳能电池处在第四阶，基本损失比CdTe要小，而CdTe是目前商业最成功的薄膜太阳能电池，2013年时PCE已经可以达到。需要注意的是，当考虑太阳能电池工作时最大效率的时候，最相关的电压是最大能量点（maximum power point），材料的无序度是影响的关键因素，因此上述度量方式在这种情况下并不能很好的比较各个太阳能电池技术。
Henry J. Snaith教授表示有三个关键策略可以将钙钛矿太阳能电池的效率提高到CIGS的，甚至是超过晶体硅的。第一点，高迁移率（超过）的空穴传输层是必要的，它可以用来阻止钙钛矿吸收层和金属阳极的接触，从而提高填充因子（fill factors）FFs，对于p-i-n型，可以选择更好的p-和n-type电荷收集层来提高FFs；第二点，需要更窄带隙的钙钛矿来作为吸收层，可以吸收到波长的太阳光；第三点，采用多结（multi-junction）方法（Figure 5）来提高太阳能电池性能。因为在单结（single-junction）太阳能电池中，所有能量超过吸收层带隙的都可以被吸收，但是超出部分的能量最后由于电子弛豫会以热能形式损耗。多结方法首先利用一个宽带隙的太阳能电池吸收高能光子，然后让低能光子穿过第一个电池，在窄带隙太阳能电池中被吸收，从而产生较高的电压和较低的热能形式能量损失。带隙可以通过采用不同的钙钛矿组成成分来调控。此外，层状钙钛矿中的量子限域效应（quantum confinement：微结构材料三维尺度中至少有一个维度与电子德布罗意博城相当，因此电子在该维度中的运动受到限制，电子态呈量子化分布，连续能带将分解为离散的能级，即形成分立的能级和驻波形式的波函数，例如：无限深势阱模型），使的多结方法具备可行性。对于高效的串联结，需要保证前后电池之间的电流匹配，如果做到这一点，效率可以提高至单结电池的1.3倍，即超过.