科学家们揭示了微观缺陷如何引发钙钛矿太阳能电池的灾难性故障。
由科罗拉多大学博尔德分校的 RASEI 研究员 Mike McGehee 领导，并与国家可再生能源实验室的科学家合作的一项研究，在《Joule》期刊上发表了新的发现，这些发现可能有助于克服在规模化生产下一代钙钛矿太阳能电池时面临的一个主要挑战。
要理解这个问题，可以想象一排首尾相连的花园浇水软管。水从水龙头流出，流过每一段软管，并从最后一个喷嘴排出。当所有部分都畅通时，水流稳定而有力。这种设置类似于太阳能电池在面板中的连接方式：阳光产生电子（相当于"水"），电子流过每个电池以产生电力。
现在想象其中一段软管发生了扭结。水流在该点停止，但来自水龙头的压力持续增加，直到薄弱点爆裂。这类似于太阳能电池板部分被遮挡时发生的情况：被遮挡的电池就像那段扭结的软管。其他电池继续发电，推动电流反向流过被遮挡的电池，这个过程称为反向偏压。随着时间的推移，这会导致被遮挡区域过热、降解并永久性失效。
为何传统解决方案不起作用
在传统的硅基太阳能电池板中，工程师们已经理解这个问题，并设计了一种称为旁路二极管的解决方案。它就像一条小型绕行路线，让电流可以绕过被遮挡或"扭结"的部分，从而保持系统其余部分安全高效地运行。
然而，旁路二极管的解决方案不适用于钙钛矿基太阳能电池 —— 这种电池是下一代更高效、更廉价太阳能电池的主要候选者——因为它们通常太"脆弱"。解决钙钛矿太阳能电池中反向偏压问题的关键环节之一，是理解电池在反向偏压下如何降解，而这正是这项合作研究的重点。
McGehee 课题组在创造和优化钙钛矿太阳能电池方面有着长期的成功经验。从 2018 年开始，他们的重点转向一个关键挑战：当这些电池处于阴影下时会发生什么？许多研究人员已经观察到，即使是少量的反向偏压也会导致材料加热并"融化"，从而引起钙钛矿快速且永久性的降解。
尽管这些观察结果被广泛接受，但降解的确切原因一直是个谜，并引发了诸多争论。"这些都是复杂的系统，要厘清其中发生的事情可能非常困难，"该研究的首席研究员之一 Ryan DeCrescent 解释道。这正是 McGehee 课题组工作的切入点——他们着手寻找这种破坏性行为背后的具体机制。
理解缺陷的作用
钙钛矿层是通过一种称为溶液加工的方法形成的。溶液加工有点像做煎饼：你制作面糊，当你把它倒在热的煎锅上时，会发生几件事：水分蒸发、固体凝固、厚度取决于你添加的量，而且你通常会在煎饼上得到间隙或孔洞。在这些器件中，钙钛矿的成分被放入溶剂中。然后将溶剂滴在器件的早期层上并加热，溶剂随之蒸发并形成薄膜，但通常会带有缺陷或间隙。在这样的薄膜中很容易形成缺陷和针孔。这对于钙钛矿来说是一个特别的问题，因为其前驱体溶液粘度低，并且在加热阶段缺陷的形成很常见。
要更好地理解这些缺陷在反向偏压下对太阳能电池性能的影响，你需要非常仔细地观察它们。这项工作的核心是一套能够对钙钛矿层进行超常检测的工具。"这项工作的很大一部分实际上是让我们自己做好准备，以便非常仔细地观察这些表面，"DeCrescent 说。
研究采用了四种主要技术来更好地理解这些缺陷：使用高分辨率相机进行电致发光成像、扫描电子显微镜、激光扫描共聚焦显微镜和视频热成像分析。策略是比较暴露在反向偏压下的器件的"之前、期间和之后"的图像。
高分辨率相机显示，器件中的"薄弱点"是降解的起源。为了更好地理解"完美"器件的行为并有效扫描大量样本（约100个），团队设置了大量非常小的器件，制造了面积仅为 0.032 平方毫米的薄膜。换个角度来看，每个器件的宽度大约相当于两根人类头发的宽度。这些器件的微小尺寸意味着有可能制造出无缺陷的器件，因为在大尺度上很难制造无缺陷的薄膜。通过这种大样本量和先进成像技术的结合，团队能够快速探索多种不同类型的缺陷。
实时观察降解过程
这种使用先进成像的方法被证明是一种极其有效的方式，不仅能识别缺陷，还能精确理解缺陷发生的变化。"视频热成像分析和电致发光成像对于这类器件来说是非常强大的技术；例如，有时难以发现的缺陷使用这些方法后会非常突出，"Ryan 解释道。使用热成像分析技术时，缺陷会发出亮光，而在电致发光技术中，缺陷显示为暗色。结合使用这些技术，提供了一种非常可靠和有效的方法来绘制缺陷图。这些技术清晰地揭示了降解发生的位置。
团队的证据有力地支持了这样的论点：钙钛矿层中的针孔和薄弱点等缺陷，是反向偏压击穿开始的确切位置。热成像图像显示，这些位置是材料迅速加热并融化的地方，本质上是在两个接触层之间形成了短路。相比之下，无缺陷的器件表现出显著的稳定性，在承受数小时的反向偏压后没有任何显著降解。
这种层次的详细理解对于该技术的未来至关重要。团队的研究为科学家和工程师指明了一条清晰的前进道路：要开发更坚固、更稳定的钙钛矿太阳能电池，他们必须优先制造无针孔的薄膜，并使用更坚固的接触层，以防止这种突然且永久性的热损伤。
这项工作代表了钙钛矿太阳能电池商业化征程中的关键一步。它突显了一个事实：需要以细节驱动、严谨的科学方法来理解复杂问题。掌握了这些知识，科学家们现在可以设计出注重使用寿命的器件，确保这些前景广阔的材料能够发挥其潜力。
