謎團解開：科學家發現鈣鈦礦太陽能電池"融化"的原因

科學家們揭示了微觀缺陷如何引發鈣鈦礦太陽能電池的災難性故障。

由科羅拉多大學博爾德分校的 RASEI 研究員 Mike McGehee 領導，并與國家可再生能源實驗室的科學家合作的一項研究，在《Joule》期刊上發表了新的發現，這些發現可能有助于克服在規模化生產下一代鈣鈦礦太陽能電池時面臨的一個主要挑戰。

要理解這個問題，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，并從最后一個噴嘴排出。當所有部分都暢通時，水流穩定而有力。這種設置類似于太陽能電池在面板中的連接方式：陽光產生電子（相當于"水"），電子流過每個電池以產生電力。

現在想象其中一段軟管發生了扭結。水流在該點停止，但來自水龍頭的壓力持續增加，直到薄弱點爆裂。這類似于太陽能電池板部分被遮擋時發生的情況：被遮擋的電池就像那段扭結的軟管。其他電池繼續發電，推動電流反向流過被遮擋的電池，這個過程稱為反向偏壓。隨著時間的推移，這會導致被遮擋區域過熱、降解并永久性失效。

為何傳統解決方案不起作用

在傳統的硅基太陽能電池板中，工程師們已經理解這個問題，并設計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"的部分，從而保持系統其余部分安全高效地運行。

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、更廉價太陽能電池的主要候選者——因為它們通常太"脆弱"。解決鈣鈦礦太陽能電池中反向偏壓問題的關鍵環節之一，是理解電池在反向偏壓下如何降解，而這正是這項合作研究的重點。

McGehee 課題組在創造和優化鈣鈦礦太陽能電池方面有著長期的成功經驗。從 2018 年開始，他們的重點轉向一個關鍵挑戰：當這些電池處于陰影下時會發生什么？許多研究人員已經觀察到，即使是少量的反向偏壓也會導致材料加熱并"融化"，從而引起鈣鈦礦快速且永久性的降解。

盡管這些觀察結果被廣泛接受，但降解的確切原因一直是個謎，并引發了諸多爭論。"這些都是復雜的系統，要厘清其中發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——他們著手尋找這種破壞性行為背后的具體機制。

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。溶液加工有點像做煎餅：你制作面糊，當你把它倒在熱的煎鍋上時，會發生幾件事：水分蒸發、固體凝固、厚度取決于你添加的量，而且你通常會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，溶劑隨之蒸發并形成薄膜，但通常會帶有缺陷或間隙。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特別的問題，因為其前驅體溶液粘度低，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，你需要非常仔細地觀察它們。這項工作的核心是一套能夠對鈣鈦礦層進行超常檢測的工具。"這項工作的很大一部分實際上是讓我們自己做好準備，以便非常仔細地觀察這些表面，"DeCrescent 說。

研究采用了四種主要技術來更好地理解這些缺陷：使用高分辨率相機進行電致發光成像、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。

高分辨率相機顯示，器件中的"薄弱點"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），團隊設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。換個角度來看，每個器件的寬度大約相當于兩根人類頭發的寬度。這些器件的微小尺寸意味著有可能制造出無缺陷的器件，因為在大尺度上很難制造無缺陷的薄膜。通過這種大樣本量和先進成像技術的結合，團隊能夠快速探索多種不同類型的缺陷。

實時觀察降解過程

這種使用先進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生的變化。"視頻熱成像分析和電致發光成像對于這類器件來說是非常強大的技術；例如，有時難以發現的缺陷使用這些方法后會非常突出，"Ryan 解釋道。使用熱成像分析技術時，缺陷會發出亮光，而在電致發光技術中，缺陷顯示為暗色。結合使用這些技術，提供了一種非常可靠和有效的方法來繪制缺陷圖。這些技術清晰地揭示了降解發生的位置。

團隊的證據有力地支持了這樣的論點：鈣鈦礦層中的針孔和薄弱點等缺陷，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，本質上是在兩個接觸層之間形成了短路。相比之下，無缺陷的器件表現出顯著的穩定性，在承受數小時的反向偏壓后沒有任何顯著降解。

這種層次的詳細理解對于該技術的未來至關重要。團隊的研究為科學家和工程師指明了一條清晰的前進道路：要開發更堅固、更穩定的鈣鈦礦太陽能電池，他們必須優先制造無針孔的薄膜，并使用更堅固的接觸層，以防止這種突然且永久性的熱損傷。

這項工作代表了鈣鈦礦太陽能電池商業化征程中的關鍵一步。它突顯了一個事實：需要以細節驅動、嚴謹的科學方法來理解復雜問題。掌握了這些知識，科學家們現在可以設計出注重使用壽命的器件，確保這些前景廣闊的材料能夠發揮其潛力。

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