科學(xué)家們揭示了微觀缺陷如何引發(fā)鈣鈦礦太陽能電池的災(zāi)難性故障。

由科羅拉多大學(xué)博爾德分校的 RASEI 研究員 Mike McGehee 領(lǐng)導(dǎo)，并與國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家合作的一項(xiàng)研究，在《Joule》期刊上發(fā)表了新的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)可能有助于克服在規(guī)模化生產(chǎn)下一代鈣鈦礦太陽能電池時(shí)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。

要理解這個(gè)問題，可以想象一排首尾相連的花園澆水軟管。水從水龍頭流出，流過每一段軟管，并從最后一個(gè)噴嘴排出。當(dāng)所有部分都暢通時(shí)，水流穩(wěn)定而有力。這種設(shè)置類似于太陽能電池在面板中的連接方式：陽光產(chǎn)生電子（相當(dāng)于"水"），電子流過每個(gè)電池以產(chǎn)生電力。

現(xiàn)在想象其中一段軟管發(fā)生了扭結(jié)。水流在該點(diǎn)停止，但來自水龍頭的壓力持續(xù)增加，直到薄弱點(diǎn)爆裂。這類似于太陽能電池板部分被遮擋時(shí)發(fā)生的情況：被遮擋的電池就像那段扭結(jié)的軟管。其他電池繼續(xù)發(fā)電，推動(dòng)電流反向流過被遮擋的電池，這個(gè)過程稱為反向偏壓。隨著時(shí)間的推移，這會(huì)導(dǎo)致被遮擋區(qū)域過熱、降解并永久性失效。

為何傳統(tǒng)解決方案不起作用

在傳統(tǒng)的硅基太陽能電池板中，工程師們已經(jīng)理解這個(gè)問題，并設(shè)計(jì)了一種稱為旁路二極管的解決方案。它就像一條小型繞行路線，讓電流可以繞過被遮擋或"扭結(jié)"的部分，從而保持系統(tǒng)其余部分安全高效地運(yùn)行。

然而，旁路二極管的解決方案不適用于鈣鈦礦基太陽能電池 —— 這種電池是下一代更高效、更廉價(jià)太陽能電池的主要候選者——因?yàn)樗鼈兺ǔＬ?脆弱"。解決鈣鈦礦太陽能電池中反向偏壓問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是理解電池在反向偏壓下如何降解，而這正是這項(xiàng)合作研究的重點(diǎn)。

McGehee 課題組在創(chuàng)造和優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池方面有著長期的成功經(jīng)驗(yàn)。從 2018 年開始，他們的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：當(dāng)這些電池處于陰影下時(shí)會(huì)發(fā)生什么？許多研究人員已經(jīng)觀察到，即使是少量的反向偏壓也會(huì)導(dǎo)致材料加熱并"融化"，從而引起鈣鈦礦快速且永久性的降解。

盡管這些觀察結(jié)果被廣泛接受，但降解的確切原因一直是個(gè)謎，并引發(fā)了諸多爭論。"這些都是復(fù)雜的系統(tǒng)，要厘清其中發(fā)生的事情可能非常困難，"該研究的首席研究員之一 Ryan DeCrescent 解釋道。這正是 McGehee 課題組工作的切入點(diǎn)——他們著手尋找這種破壞性行為背后的具體機(jī)制。

理解缺陷的作用

鈣鈦礦層是通過一種稱為溶液加工的方法形成的。溶液加工有點(diǎn)像做煎餅：你制作面糊，當(dāng)你把它倒在熱的煎鍋上時(shí)，會(huì)發(fā)生幾件事：水分蒸發(fā)、固體凝固、厚度取決于你添加的量，而且你通常會(huì)在煎餅上得到間隙或孔洞。在這些器件中，鈣鈦礦的成分被放入溶劑中。然后將溶劑滴在器件的早期層上并加熱，溶劑隨之蒸發(fā)并形成薄膜，但通常會(huì)帶有缺陷或間隙。在這樣的薄膜中很容易形成缺陷和針孔。這對于鈣鈦礦來說是一個(gè)特別的問題，因?yàn)槠淝膀?qū)體溶液粘度低，并且在加熱階段缺陷的形成很常見。

要更好地理解這些缺陷在反向偏壓下對太陽能電池性能的影響，你需要非常仔細(xì)地觀察它們。這項(xiàng)工作的核心是一套能夠?qū)︹}鈦礦層進(jìn)行超常檢測的工具。"這項(xiàng)工作的很大一部分實(shí)際上是讓我們自己做好準(zhǔn)備，以便非常仔細(xì)地觀察這些表面，"DeCrescent 說。

研究采用了四種主要技術(shù)來更好地理解這些缺陷：使用高分辨率相機(jī)進(jìn)行電致發(fā)光成像、掃描電子顯微鏡、激光掃描共聚焦顯微鏡和視頻熱成像分析。策略是比較暴露在反向偏壓下的器件的"之前、期間和之后"的圖像。

高分辨率相機(jī)顯示，器件中的"薄弱點(diǎn)"是降解的起源。為了更好地理解"完美"器件的行為并有效掃描大量樣本（約100個(gè)），團(tuán)隊(duì)設(shè)置了大量非常小的器件，制造了面積僅為 0.032 平方毫米的薄膜。換個(gè)角度來看，每個(gè)器件的寬度大約相當(dāng)于兩根人類頭發(fā)的寬度。這些器件的微小尺寸意味著有可能制造出無缺陷的器件，因?yàn)樵诖蟪叨壬虾茈y制造無缺陷的薄膜。通過這種大樣本量和先進(jìn)成像技術(shù)的結(jié)合，團(tuán)隊(duì)能夠快速探索多種不同類型的缺陷。

實(shí)時(shí)觀察降解過程

這種使用先進(jìn)成像的方法被證明是一種極其有效的方式，不僅能識別缺陷，還能精確理解缺陷發(fā)生的變化。"視頻熱成像分析和電致發(fā)光成像對于這類器件來說是非常強(qiáng)大的技術(shù)；例如，有時(shí)難以發(fā)現(xiàn)的缺陷使用這些方法后會(huì)非常突出，"Ryan 解釋道。使用熱成像分析技術(shù)時(shí)，缺陷會(huì)發(fā)出亮光，而在電致發(fā)光技術(shù)中，缺陷顯示為暗色。結(jié)合使用這些技術(shù)，提供了一種非?？煽亢陀行У姆椒▉砝L制缺陷圖。這些技術(shù)清晰地揭示了降解發(fā)生的位置。

團(tuán)隊(duì)的證據(jù)有力地支持了這樣的論點(diǎn)：鈣鈦礦層中的針孔和薄弱點(diǎn)等缺陷，是反向偏壓擊穿開始的確切位置。熱成像圖像顯示，這些位置是材料迅速加熱并融化的地方，本質(zhì)上是在兩個(gè)接觸層之間形成了短路。相比之下，無缺陷的器件表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性，在承受數(shù)小時(shí)的反向偏壓后沒有任何顯著降解。

這種層次的詳細(xì)理解對于該技術(shù)的未來至關(guān)重要。團(tuán)隊(duì)的研究為科學(xué)家和工程師指明了一條清晰的前進(jìn)道路：要開發(fā)更堅(jiān)固、更穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池，他們必須優(yōu)先制造無針孔的薄膜，并使用更堅(jiān)固的接觸層，以防止這種突然且永久性的熱損傷。

這項(xiàng)工作代表了鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化征程中的關(guān)鍵一步。它突顯了一個(gè)事實(shí)：需要以細(xì)節(jié)驅(qū)動(dòng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方法來理解復(fù)雜問題。掌握了這些知識，科學(xué)家們現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)出注重使用壽命的器件，確保這些前景廣闊的材料能夠發(fā)揮其潛力。

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