由科罗拉多大学博尔德分校可再生与可持续能源研究所（RASEI）研究员迈克·麦吉希（Mike McGehee）领衔，携手美国国家可再生能源实验室（NREL）的科研人员共同开展的一项研究合作，在《焦耳》期刊上发表了新研究成果，该成果有望助力攻克下一代钙钛矿太阳能电池规模化生产过程中的一大难题。

要理解这个问题，不妨想象一排首尾相连的花园水管。水从水龙头流经每一根水管，最终从最后一个喷嘴喷出。当所有水管都畅通无阻时，水流平稳而强劲。这种装置与太阳能电池板中电池的连接方式颇为相似：阳光激发出电子（如同“水流”），这些电子流经每个电池，从而产生电能。

现在，设想一下有一根软管发生了扭曲。水流至此便戛然而止，然而水龙头处的压力却持续累积，直至软管最薄弱之处迸裂。这一情形与太阳能电池板部分被阴影遮蔽时的情况颇为相似：被阴影覆盖的电池单元就如同那根扭曲的软管。其余电池单元依旧持续发电，迫使电流逆向流经被遮蔽的电池单元，这一过程被称作反向偏压。长此以往，这会导致被阴影覆盖的区域温度过高，性能退化，最终永久性失效。

为何传统解决方案行不通

在传统的硅基太阳能电池板中，工程师们早已洞悉这一问题，并设计出一种名为旁路二极管的解决方案。它犹如一条迂回小径，能让电流绕过被遮挡或“受阻”的部分，确保系统其余部分安全高效地运行。

然而，旁路二极管方案并不适用于钙钛矿基太阳能电池——这种电池是下一代更高效、更经济的太阳能电池的有力候选者，因为它们往往过于“脆弱”。解开钙钛矿太阳能电池反向偏压难题的关键之一，在于理解电池在反向偏压条件下的退化机制，而这正是本次研究合作的重点所在。

麦基希（McGehee）团队在钙钛矿太阳能电池的研发与优化领域成果斐然、历史悠久。自2018年起，他们的研究重心转向了一个关键难题：当这些电池处于阴影中时会发生什么？许多研究人员早已发现，即便只是出现少量反向偏压，也会导致材料升温并“熔化”，进而使钙钛矿迅速且永久性地退化。

尽管这些观察结果得到了广泛认可，但性能退化的确切原因仍是个谜，也是诸多争论的焦点所在。“这些系统错综复杂，要理清其中究竟发生了什么，实属不易，”该研究的主要研究人员之一瑞安·德克雷森特（Ryan DeCrescent）解释道。而麦基希（McGehee）研究团队的工作正由此展开——他们着手探寻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名为溶液处理法的方法形成的。溶液处理法有点类似于制作煎饼：先调配好面糊，再将其浇在热煎锅上，此时会发生几件事：水分蒸发，固体凝固，面糊的厚度取决于你添加了多少，而且煎饼上常常会出现缝隙或孔洞。在制作这些器件时，需将钙钛矿成分加入溶剂中。随后，将溶剂滴加到器件的先前层上并加热，溶剂随之蒸发，形成一层薄膜，但这层薄膜往往存在缺陷或缝隙。这种薄膜很容易形成缺陷和针孔。对于钙钛矿而言，这尤为棘手，因为前驱体溶液的粘度较低，且在加热阶段极易形成缺陷。

为更好地理解这些缺陷对反向偏压下太阳能电池性能的影响，需对其进行细致入微的探究。此项工作的核心是一套能够对钙钛矿层进行超精细检测的工具。德克雷森特（DeCrescent）表示：“这项工作的很大一部分，实际上是在为仔细观测这些表面做准备。”

为更深入地洞察缺陷所在，我们采用了四大技术手段：利用高分辨率相机进行电致发光（EL）成像、扫描电子显微镜（SEM）观测、激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）分析，以及视频热成像技术。具体策略是，对比那些经受过反向偏压作用的器件在“处理前、处理中、处理后”三个阶段的图像。

高分辨率相机显示，该装置的“薄弱点”正是性能退化的根源所在。为更深入地理解“完美”装置的行为特性，并高效扫描大量样本（约100个），研究团队构建了众多微型装置，制备出面积仅0.032平方毫米的薄膜。形象地说，每个装置的宽度大约相当于两根人类发丝。这些装置的微小尺寸意味着可以制造出无缺陷的装置，因为在大规模上制造无缺陷薄膜难度颇高。通过结合大样本量与先进成像技术，研究团队得以迅速探索多种不同类型的缺陷。

实时观察衰变过程

这种运用先进成像技术的手段被证实极为有效，不仅能精准识别缺陷，还能深入解析其演变过程。瑞安解释道：“视频热成像与电致发光成像技术，堪称此类设备检测的利器。例如，某些难以察觉的缺陷，在这两种技术下会无所遁形。”在热成像技术中，缺陷部位会呈现明亮光斑；而在电致发光成像中，缺陷则表现为暗斑。两种技术相辅相成，为缺陷定位提供了极为可靠且高效的方法，清晰揭示了材料退化的具体位置。

研究团队的证据有力地证实了这一论点：钙钛矿层中的针孔和薄弱点等缺陷，正是反向偏压击穿现象的起始位置。热成像图显示，这些部位的材料会迅速升温并熔化，导致两个接触层之间发生短路。相比之下，无缺陷器件则展现出卓越的稳定性，即便在数小时的反向偏压作用下，其性能也未出现显著衰减。

如此详尽的认知程度，对于该技术的未来发展至关重要。团队的研究为科学家和工程师指明了一条清晰的前行之路：要开发出更坚固、更稳定的钙钛矿太阳能电池，他们必须优先致力于制造无针孔薄膜，并采用更稳固的接触层，以防止此类突发且永久的热损伤。

此项工作标志着钙钛矿太阳能电池商业化征程中迈出了关键一步。它凸显了一个事实：唯有以严谨细致的科学方法为指引，方能洞悉复杂问题之本质。掌握这一要义后，科学家们如今能够设计出经久耐用的器件，确保这些前景广阔的材料得以充分释放其潜能。

参考文献：塞缪尔·约翰逊（Samuel Johnson）、丹尼尔·莫拉莱斯（Daniel Morales）、凯尔·弗雷莫（Kell Fremouw）、艾萨克·E·古尔德（Isaac E. Gould）、友子·博尔萨（Tomoko Borsa）、史蒂夫·约翰斯顿（Steve Johnston）、阿克塞尔·帕姆斯特罗姆（Axel Palmstrom）、瑞安·A·德克雷森特（Ryan A. DeCrescent）和迈克尔·D·麦吉希（Michael D. McGehee）于2025年8月25日发表于《焦耳》（Joule）期刊的论文《钙钛矿针孔中非欧姆接触层二极管如何影响太阳能电池的突发低电压反向偏压击穿与损坏》。 DOI：10.1016/j.joule.2025.102102