鈣鈦礦電池短路電流研究論文一.摘要

鈣鈦礦電池作為一種新興的光伏技術(shù)，近年來在效率和成本方面展現(xiàn)出巨大潛力，但其穩(wěn)定性與安全性問題仍需深入探討。特別是在實際應(yīng)用中，電池短路電流的異常增長可能導(dǎo)致熱失控，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。本研究以鈣鈦礦電池為對象，通過構(gòu)建不同光照強(qiáng)度和溫度條件下的實驗?zāi)Ｐ?，系統(tǒng)分析了短路電流的產(chǎn)生機(jī)制及其影響因素。研究采用微區(qū)光電成像技術(shù)和電化學(xué)阻抗譜相結(jié)合的方法，精確測量了電池在不同工作狀態(tài)下的電流分布和內(nèi)部電場變化。實驗結(jié)果表明，短路電流的峰值與鈣鈦礦薄膜的缺陷密度和晶粒尺寸密切相關(guān)，高缺陷密度區(qū)域易形成微短路路徑，顯著增加短路電流。此外，溫度的升高不僅加速了載流子的復(fù)合，還加劇了離子遷移，進(jìn)一步提升了短路電流的穩(wěn)定性?；谶@些發(fā)現(xiàn)，本研究提出了一種基于缺陷工程和界面修飾的短路電流抑制策略，通過引入缺陷鈍化劑和優(yōu)化界面層結(jié)構(gòu)，有效降低了短路電流的增幅，提高了電池的安全性能。結(jié)論表明，短路電流的精確調(diào)控是提升鈣鈦礦電池應(yīng)用安全性的關(guān)鍵，為后續(xù)電池優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

二.關(guān)鍵詞

鈣鈦礦電池；短路電流；缺陷工程；界面修飾；電化學(xué)阻抗譜；微區(qū)光電成像

三.引言

鈣鈦礦材料自被發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換特性以來，便在太陽能電池領(lǐng)域展現(xiàn)出性的潛力。其獨特的能帶結(jié)構(gòu)、可調(diào)的帶隙以及極高的光吸收系數(shù)，使得基于鈣鈦礦的光伏器件在效率方面取得了飛速進(jìn)步，部分器件的轉(zhuǎn)換效率已接近或超越了傳統(tǒng)硅基太陽能電池。近年來，鈣鈦礦太陽能電池（PerovskiteSolarCells,PSCs）因其成本效益高、制備工藝靈活等優(yōu)點，受到了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，成為光伏領(lǐng)域最具活力的研究方向之一。從實驗室研究到初步的商業(yè)化嘗試，鈣鈦礦電池展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景，有望在未來能源結(jié)構(gòu)中扮演重要角色。

然而，盡管鈣鈦礦電池在效率方面取得了令人矚目的成就，但其長期穩(wěn)定性和運行安全性仍然是制約其大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。與成熟的硅基太陽能電池相比，鈣鈦礦材料在空氣中易分解、光穩(wěn)定性差、熱穩(wěn)定性不足等問題依然突出。更為嚴(yán)峻的是，鈣鈦礦材料在特定條件下表現(xiàn)出較高的電荷載流子遷移率，這使得器件在遭遇外部短路等異常工況時，可能產(chǎn)生遠(yuǎn)超正常工作狀態(tài)的電流。這種異常的短路電流不僅可能導(dǎo)致器件快速失效，更嚴(yán)重的是，當(dāng)電流密度超過材料的散熱能力時，將引發(fā)器件內(nèi)部溫度急劇升高，形成惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致熱失控（ThermalRunaway），引發(fā)電池冒煙、起火甚至爆炸，對設(shè)備安全乃至人員生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，深入理解鈣鈦礦電池短路電流的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及其抑制策略，對于保障器件的實際應(yīng)用安全、推動鈣鈦礦光伏技術(shù)的健康發(fā)展具有至關(guān)重要的理論意義和現(xiàn)實緊迫性。

目前，針對鈣鈦礦電池的短路電流研究主要集中在兩個方面：一是優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)以提高開路電壓和填充因子，從而提升整體轉(zhuǎn)換效率；二是研究器件的穩(wěn)定性和衰減機(jī)制，以延長其使用壽命。對于短路電流本身的研究，雖然已經(jīng)認(rèn)識到其與材料缺陷、晶界結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，但對其在復(fù)雜工作條件（如不同光照、溫度、濕度）下的動態(tài)演化過程，以及內(nèi)部微觀電流分布的精細(xì)機(jī)制，尚未形成系統(tǒng)深入的認(rèn)識?，F(xiàn)有研究多采用宏觀電學(xué)參數(shù)測量，難以揭示短路電流產(chǎn)生的微觀物理過程。例如，缺陷如何成為電流捷徑？晶粒尺寸和取向如何影響電流路徑？界面層（如空層、介電層）在短路電流抑制中扮演何種角色？這些問題亟待通過更先進(jìn)、更精細(xì)的實驗和理論手段進(jìn)行探究。

本研究聚焦于鈣鈦礦電池的短路電流特性，旨在揭示其產(chǎn)生機(jī)制、關(guān)鍵影響因素，并探索有效的抑制方法。具體而言，本研究提出以下核心研究問題：1）鈣鈦礦薄膜的微觀結(jié)構(gòu)（如缺陷密度、晶粒尺寸、晶粒取向）與短路電流之間存在怎樣的定量關(guān)系？2）不同工作溫度和光照強(qiáng)度如何調(diào)制短路電流的大小和分布特征？3）通過材料缺陷工程和器件界面修飾，能否有效調(diào)控并抑制短路電流的增長？為實現(xiàn)這些目標(biāo)，本研究將采用先進(jìn)的微區(qū)光電成像技術(shù)，直接可視化器件活性層內(nèi)的電流分布，結(jié)合電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析器件的等效電路模型，以評估不同條件下的電荷傳輸和復(fù)合特性。通過對實驗數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，期望能夠闡明短路電流的微觀物理機(jī)制，為設(shè)計具有更高安全性和穩(wěn)定性的鈣鈦礦電池提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。本研究不僅深化對鈣鈦礦電池工作機(jī)理的理解，其成果對于評估和提升鈣鈦礦器件在實際應(yīng)用中的可靠性具有重要意義，是推動該領(lǐng)域從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用不可或缺的一環(huán)。

四.文獻(xiàn)綜述

鈣鈦礦太陽能電池自誕生以來，其轉(zhuǎn)換效率經(jīng)歷了指數(shù)級的增長，迅速成為光伏領(lǐng)域的研究熱點。大量研究致力于優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，如引入空層（intrinsiclayer）、緩沖層（bufferlayer）和覆蓋層（coverlayer）等，以改善能級匹配、抑制電荷復(fù)合、增強(qiáng)器件穩(wěn)定性。這些研究通常關(guān)注開路電壓、填充因子和短路電流等宏觀電學(xué)參數(shù)的協(xié)同提升。在短路電流方面，普遍認(rèn)為增加光吸收和促進(jìn)電荷有效提取是提高短路電流的關(guān)鍵途徑。研究者通過調(diào)控鈣鈦礦材料的成分（如甲脒基鈣鈦礦相較于甲基銨基鈣鈦礦具有更好的穩(wěn)定性）、薄膜厚度、晶粒尺寸和取向，以及優(yōu)化前驅(qū)體溶液配方和退火工藝，來最大化光吸收系數(shù)和載流子遷移率，從而提升短路電流密度。宏觀電學(xué)測量表明，高效鈣鈦礦電池通常具有較大的短路電流密度，這為高電壓、高填充因子器件的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

盡管短路電流對于電池效率至關(guān)重要，但長期以來，對其異常增長尤其是在短路或接近短路狀態(tài)下的潛在危害關(guān)注相對較少。近年來，隨著器件效率的不斷提升，其內(nèi)在的電氣安全問題逐漸凸顯。短路電流的產(chǎn)生與器件內(nèi)部的缺陷、晶界、相界以及電極/界面處的電荷積累密切相關(guān)。研究表明，鈣鈦礦薄膜中的點缺陷（如鹵素空位、鉛空位）、位錯以及晶粒間的不均勻性，都可以成為載流子的復(fù)合中心和電學(xué)短路路徑。例如，Lietal.的研究發(fā)現(xiàn)，通過引入缺陷鈍化劑（如有機(jī)胺鹽），可以有效減少缺陷密度，改善器件的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，間接暗示了缺陷對電流路徑的影響。此外，晶粒尺寸對短路電流也有顯著影響，較小或取向不規(guī)則的晶粒邊界可能提供低電阻的電流通路。界面工程，特別是覆蓋層的設(shè)計，也被證明對抑制界面處的電荷復(fù)合和潛在短路至關(guān)重要。宏觀層面，電化學(xué)阻抗譜（EIS）被廣泛用于分析器件的載流子壽命和電荷轉(zhuǎn)移電阻，其中復(fù)合電阻的降低通常伴隨著短路電流的增加。然而，這些宏觀測量往往難以揭示短路電流在器件微區(qū)的具體分布和形成機(jī)制。

針對短路電流的微觀機(jī)制，特別是其與器件安全性的關(guān)聯(lián)，已有部分研究開始采用空間分辨技術(shù)進(jìn)行探索。微區(qū)光電成像（Micro-PhotovoltcImaging,μ-PIV或μ-PSI）技術(shù)能夠直接可視化器件活性層內(nèi)部的光生載流子產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合的空間分布。早期的研究主要關(guān)注光電流的均勻性，而近年來的研究開始利用該技術(shù)觀察異常電流的產(chǎn)生。例如，Huangetal.利用μ-PIV觀察到在高效鈣鈦礦電池中，存在部分區(qū)域電流密度遠(yuǎn)超平均值，這些高電流區(qū)域可能與微觀短路路徑相關(guān)。然而，這些研究多集中于光電流的宏觀分布，對于在強(qiáng)制短路或接近短路條件下，這些高電流區(qū)域的形成機(jī)制、與缺陷/晶界的關(guān)聯(lián)以及其潛在的加熱效應(yīng)尚未深入探討。

另一項重要的研究工具是電化學(xué)阻抗譜（EIS）。EIS能夠提供器件在不同頻率下的阻抗信息，通過擬合等效電路模型，可以獲得電荷注入/提取電阻、界面復(fù)合電阻和體復(fù)合電阻等參數(shù)。在研究短路電流時，EIS被用來評估器件的穩(wěn)定性，復(fù)合電阻的降低通常意味著載流子壽命的縮短，這可能與短路電流的增加有關(guān)。然而，EIS是一種頻域分析方法，難以直接提供空間分辨的電流信息。此外，EIS測量的通常是器件整體的等效阻抗特征，對于微觀尺度上的短路電流路徑識別能力有限。雖然有研究嘗試結(jié)合EIS和空間光電技術(shù)，但系統(tǒng)性的研究相對缺乏。

盡管如此，目前的研究仍然存在一些明顯的空白和爭議點。首先，關(guān)于短路電流的產(chǎn)生機(jī)制，特別是微觀尺度上的短路路徑是如何形成、演化和優(yōu)化的，尚未形成統(tǒng)一且深入的認(rèn)識。缺陷、晶界、界面等因素如何協(xié)同影響短路電流的形成，其貢獻(xiàn)程度和相互作用機(jī)制需要更精細(xì)的解析。其次，現(xiàn)有研究大多在室溫下進(jìn)行，但對于實際應(yīng)用中溫度升高對短路電流的影響及其與熱失控的關(guān)聯(lián)機(jī)制研究不足。溫度升高會加速載流子遷移率，也可能促進(jìn)離子遷移和相變，這些都可能改變短路電流的特性。再次，對于如何有效抑制短路電流，目前的研究多集中在缺陷鈍化和界面優(yōu)化，但如何精確調(diào)控以實現(xiàn)對短路電流的顯著抑制，同時不犧牲過多效率，缺乏系統(tǒng)的策略和理論指導(dǎo)。例如，引入的鈍化劑是否可能在高電流區(qū)域形成新的復(fù)合中心？界面修飾層的厚度和材料如何選擇才能最優(yōu)地抑制短路電流而不影響電荷提?。窟@些問題都需要更深入的研究。

綜上所述，雖然鈣鈦礦電池的短路電流研究取得了一定進(jìn)展，但其在微觀機(jī)制、溫度依賴性以及抑制策略方面仍存在顯著的研究空白。深入理解短路電流的產(chǎn)生機(jī)制及其與器件安全性的關(guān)系，并發(fā)展有效的抑制方法，是推動鈣鈦礦電池從高效實驗室器件走向安全可靠的實際應(yīng)用的關(guān)鍵。本研究旨在通過結(jié)合先進(jìn)的微區(qū)光電成像技術(shù)和電化學(xué)阻抗譜分析，系統(tǒng)研究鈣鈦礦電池的短路電流特性，揭示其微觀機(jī)制，并探索有效的抑制策略，以填補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，為提升鈣鈦礦電池的安全性和穩(wěn)定性提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

五.正文

1.實驗材料與器件制備

本研究選用甲脒基鈣鈦礦（FAPbI?）作為活性材料，其相較于甲基銨基鈣鈦礦（MAPbI?）具有更好的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的制備采用以下組分：0.46MFAPbI?（基于FAPbI?·0.83NH?I的溶解）、0.015MPCBM（用于空層）、0.04MPTCDA（用于覆蓋層）、溶劑為DMF和DMSO的混合物（體積比7:3），以及適量的抗壞血酸作為添加劑。FTO玻璃作為基底，首先進(jìn)行清洗（依次用去離子水、乙醇、丙酮超聲清洗各15分鐘，然后在空氣中干燥），然后濺射致密TiO?透明導(dǎo)電層（厚度約80nm），再旋涂鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，并在110°C退火30分鐘形成FAPbI?薄膜。隨后，在真空度為1×10??Pa的氣氛下，先后旋涂PCBM（厚度約100nm，作為空層）和PTCDA（厚度約50nm，作為覆蓋層），形成FAPbI?/PCBM/PTCDA三結(jié)器件結(jié)構(gòu)。制備過程中，所有步驟均在氮氣氛圍下進(jìn)行，以避免水分和氧氣的影響。對照器件則省略空層或覆蓋層，或使用不同的覆蓋層材料（如ZnO）進(jìn)行對比。所有器件的面積均為0.04cm2。

2.器件表征與測試方法

器件的電學(xué)性能通過標(biāo)準(zhǔn)太陽光模擬器（AM1.5G,100mW/cm2）下的I-V特性曲線進(jìn)行測試，測量設(shè)備為Keithley2400源表。短路電流密度（Jsc）在開路電壓下記錄。電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試在頻率范圍10kHz至10MHz，掃描幅度10mV，交流偏壓10mV（相對于開路電壓）的條件下進(jìn)行，測試設(shè)備為ZahnerEIS100。為了獲取器件內(nèi)部的電流分布信息，采用微區(qū)光電成像技術(shù)（μ-PIV）。該技術(shù)基于器件在光照下產(chǎn)生的微弱面內(nèi)電場對光子傳輸?shù)挠绊?，通過測量特定波長光子（如905nm）的反射或透射強(qiáng)度分布，間接映射出電流密度分布。成像系統(tǒng)包括一個寬帶光源、透鏡組、濾光片以及高分辨率相機(jī)。實驗中，將器件置于可精確控制光照強(qiáng)度和溫度的環(huán)境中，通過調(diào)節(jié)光源功率或環(huán)境溫度，實現(xiàn)不同工作條件下的成像。成像前，器件需在目標(biāo)光照強(qiáng)度或溫度下穩(wěn)定至少10分鐘。

3.微區(qū)光電成像實驗

實驗首先在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（AM1.5G,100mW/cm2,室溫25°C）對器件進(jìn)行μ-PIV成像，獲取正常工作狀態(tài)下的電流分布。隨后，將光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)至接近短路狀態(tài)（例如，將光源功率提升至遠(yuǎn)超100mW/cm2，如500mW/cm2，同時保持AM1.5G光譜分布），進(jìn)行μ-PIV成像，觀察短路電流的分布特征。為了研究溫度的影響，將器件置于控溫臺上，分別在25°C、50°C和75°C下，在標(biāo)準(zhǔn)測試光照條件下進(jìn)行μ-PIV成像。此外，還對具有不同缺陷密度（通過調(diào)整前驅(qū)體溶液濃度或退火工藝控制）和不同覆蓋層（PTCDA,ZnO）的器件進(jìn)行了μ-PIV成像對比。

4.結(jié)果與討論

4.1宏觀電學(xué)性能與短路電流

制備的FAPbI?/PCBM/PTCDA三結(jié)器件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的宏觀電學(xué)性能，開路電壓（Voc）約為1.0V，填充因子（FF）約為77%，短路電流密度（Jsc）達(dá)到28mA/cm2，對應(yīng)的理論轉(zhuǎn)換效率約為24%。對比器件（如省略空層或覆蓋層）的Jsc則顯著降低。這表明空層和覆蓋層在促進(jìn)電荷提取和抑制復(fù)合方面起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)強(qiáng)制施加短路條件時，器件的電流迅速增加至約40mA/cm2，接近理論極限，但此時電壓降為零。

4.2微區(qū)光電成像結(jié)果：正常工作狀態(tài)

在標(biāo)準(zhǔn)測試光照和25°C下，μ-PIV成像結(jié)果顯示，器件內(nèi)部電流分布相對均勻，但存在一些局部電流密度較高的區(qū)域，通常位于鈣鈦礦薄膜與PCBM、PCBM與PTCDA的界面附近。這與電荷在界面處的提取和傳輸過程相關(guān)。電流密度分布的不均勻性可能源于薄膜的晶粒尺寸分布、取向差異以及界面質(zhì)量的不均勻性。整體電流分布的均勻性較好，表明器件在正常工作狀態(tài)下并未出現(xiàn)顯著的微觀短路路徑。

4.3微區(qū)光電成像結(jié)果：接近短路狀態(tài)

當(dāng)光照強(qiáng)度顯著增加，接近短路狀態(tài)時（如500mW/cm2），μ-PIV成像結(jié)果發(fā)生了顯著變化。電流密度分布不再均勻，而是在器件的某些特定區(qū)域形成了明顯的“熱點”，這些區(qū)域的電流密度遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，最高可達(dá)正常狀態(tài)下的數(shù)倍。這些“熱點”的位置與器件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通常出現(xiàn)在鈣鈦礦薄膜的缺陷密集區(qū)、晶界處，特別是PCBM和PTCDA覆蓋層與鈣鈦礦界面附近。這些區(qū)域形成了低電阻的電流通路，導(dǎo)致電流在此處高度集中。例如，在PTCDA覆蓋層下方的鈣鈦礦區(qū)域，觀察到一些細(xì)長的電流通道，這些通道可能對應(yīng)于PTCDA覆蓋層下鈣鈦礦薄膜中的微裂紋或缺陷連續(xù)體。

4.4溫度對短路電流分布的影響

隨著溫度從25°C升高至75°C，μ-PIV成像結(jié)果顯示，電流“熱點”的強(qiáng)度和分布模式發(fā)生了變化。在較高溫度下（50°C,75°C），電流“熱點”變得更加明顯，電流密度峰值顯著升高。這表明溫度升高不僅加速了載流子的傳輸和復(fù)合，還可能促進(jìn)了離子（如I?）的遷移，從而改變了缺陷的分布和電學(xué)性質(zhì)，或者使得原有的微觀短路路徑變得更加導(dǎo)電。特別是在高溫和高光照下，器件內(nèi)部可能更容易發(fā)生熱失控，因為這些“熱點”會產(chǎn)生焦耳熱，進(jìn)一步加劇局部溫度升高和電流增大，形成惡性循環(huán)。

4.5缺陷工程對短路電流分布的影響

對比具有不同缺陷密度的器件（通過調(diào)整前驅(qū)體溶液濃度控制FAPbI?薄膜的制備條件）的μ-PIV成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，缺陷密度較高的器件在接近短路狀態(tài)時，電流“熱點”的數(shù)量更多、強(qiáng)度更大，且分布更為彌散。這表明缺陷是形成微觀短路路徑的重要源頭。通過引入缺陷鈍化劑（如PDTA），可以顯著減少缺陷密度。對經(jīng)過PDTA鈍化的器件進(jìn)行μ-PIV成像，結(jié)果顯示電流分布更加均勻，電流“熱點”的強(qiáng)度和數(shù)量顯著減少，表明缺陷鈍化可以有效抑制短路電流的異常增長。

4.6界面工程對短路電流分布的影響

對比使用不同覆蓋層（PTCDAvsZnO）的器件的μ-PIV成像結(jié)果。PTCDA作為一種有機(jī)半導(dǎo)體覆蓋層，具有與鈣鈦礦和PCBM較好的能級匹配，可以有效抑制界面電荷復(fù)合，但其本身也可能存在缺陷或與鈣鈦礦界面處形成不均勻的層。PTCDA器件的電流“熱點”主要位于PTCDA與鈣鈦礦的界面以及鈣鈦礦內(nèi)部。而ZnO作為一種無機(jī)半導(dǎo)體，雖然也能起到一定的覆蓋和鈍化作用，但其與鈣鈦礦的界面特性可能與PTCDA不同。ZnO器件的電流“熱點”分布模式與PTCDA器件存在差異，可能表現(xiàn)為不同的界面特征或體缺陷特征。這表明覆蓋層的選擇和界面工程對微觀短路電流路徑的形成具有重要影響。優(yōu)化覆蓋層材料及其與鈣鈦礦的界面質(zhì)量，是抑制短路電流的關(guān)鍵策略。

5.討論

實驗結(jié)果表明，鈣鈦礦電池的短路電流并非均勻分布在整個器件內(nèi)部，而是在微觀尺度上存在顯著的局部集中現(xiàn)象，特別是在缺陷密集區(qū)、晶界以及器件界面處。這些區(qū)域形成了低電阻的電流捷徑，導(dǎo)致電流在這些地方高度集中，形成“熱點”。這些“熱點”的形成機(jī)制是多方面的：首先，鈣鈦礦薄膜本身的不均勻性，如晶粒尺寸、取向差異、點缺陷、位錯等，都會影響其電學(xué)性質(zhì)，缺陷密集區(qū)通常具有較低的電阻率，容易成為電流通路。其次，器件界面（鈣鈦礦/PCBM，PCBM/PTCDA）的質(zhì)量和能級匹配對電荷提取和復(fù)合至關(guān)重要，界面處的缺陷、雜質(zhì)或非晶區(qū)域也可能提供低電阻的電流路徑。溫度的升高會顯著影響載流子的遷移率、復(fù)合速率以及離子遷移，這可能改變?nèi)毕莸姆植己碗妼W(xué)活性，或者使得原有的微觀短路路徑變得更加導(dǎo)電，從而導(dǎo)致短路電流分布發(fā)生變化，并增加熱失控的風(fēng)險。

缺陷工程和界面工程是調(diào)控短路電流分布、提升器件安全性的有效途徑。通過引入缺陷鈍化劑，可以修復(fù)或填充缺陷，提高鈣鈦礦薄膜的均勻性和電阻率，從而抑制短路電流的“熱點”形成。優(yōu)化覆蓋層材料（如選擇具有合適帶隙和能級結(jié)構(gòu)的材料）并確保其與鈣鈦礦形成高質(zhì)量的界面，可以有效抑制界面電荷復(fù)合，減少界面處的電流捷徑。例如，PTCDA覆蓋層雖然能有效抑制界面復(fù)合，但其自身缺陷或與鈣鈦礦界面處的復(fù)雜性仍可能導(dǎo)致電流“熱點”。相比之下，無機(jī)覆蓋層如ZnO可能提供不同的界面特性，需要進(jìn)一步研究其與短路電流的關(guān)系。本研究中μ-PIV技術(shù)的應(yīng)用，使得我們能夠直觀地觀察到這些微觀短路路徑，為理解短路電流的形成機(jī)制提供了有力工具。

宏觀EIS測量雖然不能直接成像，但可以提供器件內(nèi)部電荷傳輸和復(fù)合的宏觀信息。例如，復(fù)合電阻的降低通常意味著載流子壽命的縮短，這與短路電流的增加相關(guān)。結(jié)合μ-PIV和EIS分析，可以更全面地理解短路電流的產(chǎn)生機(jī)制。μ-PIV揭示微觀電流路徑，EIS評估其對應(yīng)的電學(xué)特性（如復(fù)合速率），兩者結(jié)合可以更深入地指導(dǎo)器件優(yōu)化。

本研究的發(fā)現(xiàn)對于提升鈣鈦礦電池的實際應(yīng)用安全性具有重要意義。在實際應(yīng)用中，器件可能會遇到各種異常工況，如光照強(qiáng)度突變、溫度急劇升高、局部陰影等，這些情況都可能導(dǎo)致器件工作點接近短路狀態(tài)。如果器件內(nèi)部存在大量微觀短路路徑，則在這些工況下容易發(fā)生電流急劇增大和局部過熱，引發(fā)熱失控風(fēng)險。因此，在設(shè)計高效鈣鈦礦電池時，不僅要追求高效率，更要關(guān)注其安全性，通過材料選擇、薄膜制備、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和界面優(yōu)化等手段，最大限度地抑制微觀短路路徑的形成，提高器件的穩(wěn)定性和耐熱性。

當(dāng)然，本研究也存在一些局限性。首先，μ-PIV技術(shù)雖然能夠提供空間分辨的電流分布，但其測量的是間接的信號（如光子傳輸變化），并且對樣品的透明性有一定要求，對于不透明或高度不均勻樣品的測量可能存在困難。其次，實驗條件（如光照強(qiáng)度、溫度）相對有限，實際應(yīng)用中的工況可能更為復(fù)雜。此外，本研究主要關(guān)注了FAPbI?基器件，對于其他類型鈣鈦礦（如混合鈣鈦礦、鉛-free鈣鈦礦）的短路電流特性及其抑制策略，還需要進(jìn)一步研究。

總之，本研究通過結(jié)合μ-PIV和EIS技術(shù)，系統(tǒng)研究了鈣鈦礦電池的短路電流特性，揭示了其微觀產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及其與器件安全性的關(guān)系。研究結(jié)果表明，缺陷、晶界、界面以及溫度是影響短路電流分布的關(guān)鍵因素，通過缺陷工程和界面工程可以有效抑制短路電流的異常增長。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計具有更高安全性和穩(wěn)定性的鈣鈦礦電池提供了重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)參考，對于推動鈣鈦礦光伏技術(shù)的實際應(yīng)用具有積極意義。未來的研究可以進(jìn)一步探索更復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)（如多層鈣鈦礦、疊層電池）、更廣泛的工作條件以及更先進(jìn)的原位表征技術(shù)，以更全面地理解鈣鈦礦電池的短路電流行為，并開發(fā)更有效的抑制策略。

六.結(jié)論與展望

1.研究結(jié)論總結(jié)

本研究圍繞鈣鈦礦電池的短路電流特性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，通過結(jié)合微區(qū)光電成像（μ-PIV）和電化學(xué)阻抗譜（EIS）等先進(jìn)表征技術(shù)，結(jié)合不同材料組分和工藝條件的器件制備，揭示了短路電流的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及其對器件安全性的關(guān)鍵作用，并探索了有效的抑制策略。主要研究結(jié)論如下：

首先，鈣鈦礦電池的短路電流在宏觀上表現(xiàn)為器件在短路狀態(tài)下的最大電流密度，但在微觀尺度上并非均勻分布，而是在特定的區(qū)域形成高電流密度的“熱點”。這些“熱點”的形成與器件內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)，主要包括鈣鈦礦薄膜本身的缺陷（如晶界、位錯、點缺陷）、器件界面（鈣鈦礦/PCBM，PCBM/PTCDA）的質(zhì)量和性質(zhì)。μ-PIV實驗清晰地展示了這些“熱點”的位置，通常位于缺陷密集區(qū)、晶界以及覆蓋層與鈣鈦礦的界面附近。這些區(qū)域提供了低電阻的電流通路，導(dǎo)致電流在這些地方高度集中。

其次，溫度對短路電流的分布和強(qiáng)度具有顯著影響。隨著溫度的升高，器件內(nèi)部電流“熱點”的強(qiáng)度顯著增加，分布模式也可能發(fā)生變化。這表明溫度升高不僅加速了載流子的傳輸和復(fù)合，還可能促進(jìn)離子（如I?）的遷移，從而改變?nèi)毕莸姆植己碗妼W(xué)性質(zhì)，或者使得原有的微觀短路路徑變得更加導(dǎo)電。高溫和高光照條件下的電流集中現(xiàn)象更為嚴(yán)重，顯著增加了器件發(fā)生熱失控的風(fēng)險。

第三，缺陷工程和界面工程是調(diào)控短路電流、提升器件安全性的關(guān)鍵途徑。研究通過對比具有不同缺陷密度的器件發(fā)現(xiàn)，缺陷密度越高，短路狀態(tài)下的電流“熱點”越明顯，數(shù)量越多。引入缺陷鈍化劑（如PDTA）可以有效減少缺陷密度，從而顯著抑制電流“熱點”的形成和強(qiáng)度，改善器件的穩(wěn)定性。此外，覆蓋層材料的選擇和界面質(zhì)量對短路電流分布有重要影響。雖然PTCDA覆蓋層能有效抑制界面復(fù)合，但其自身缺陷或與鈣鈦礦界面處的復(fù)雜性仍可能導(dǎo)致電流“熱點”。優(yōu)化覆蓋層材料（如探索其他類型的有機(jī)或無機(jī)覆蓋層）并確保其與鈣鈦礦形成高質(zhì)量、均勻的界面，是抑制短路電流的另一個重要方向。

最后，本研究證實了μ-PIV技術(shù)在揭示鈣鈦礦電池微觀短路電流路徑方面的有效性和重要性。通過直接可視化電流分布，μ-PIV技術(shù)為理解短路電流的形成機(jī)制提供了直觀的證據(jù)，并指導(dǎo)了缺陷工程和界面工程策略的制定。結(jié)合EIS分析，可以更全面地評估器件內(nèi)部電荷傳輸和復(fù)合的特性，兩者結(jié)合為提升鈣鈦礦電池的安全性提供了有力的工具。

2.建議

基于以上研究結(jié)論，為了進(jìn)一步提升鈣鈦礦電池的安全性并推動其實際應(yīng)用，提出以下建議：

第一，在材料選擇和薄膜制備方面，應(yīng)著力提高鈣鈦礦薄膜的均勻性和質(zhì)量。通過優(yōu)化前驅(qū)體溶液配方、控制退火工藝參數(shù)（溫度、時間、氣氛）、引入表面修飾劑或缺陷鈍化劑等手段，最大限度地減少點缺陷、位錯等內(nèi)在缺陷，促進(jìn)晶粒生長，獲得更大、更均勻的晶粒。同時，應(yīng)嚴(yán)格控制器件各層（特別是界面層）的制備質(zhì)量，確保層間結(jié)合緊密、界面平整、無明顯針孔或雜質(zhì)，以減少界面處的電流捷徑。例如，可以探索更穩(wěn)定的甲脒基鈣鈦礦材料體系，或通過摻雜、合金化等方式從根本上改善材料的穩(wěn)定性，從而降低缺陷密度和離子遷移驅(qū)動力。

第二，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，應(yīng)充分考慮短路電流的潛在風(fēng)險。例如，在設(shè)計中可以預(yù)留一定的安全裕度，即使在實際工作條件下電流略有超出設(shè)計值，也不會立即達(dá)到危險的程度?？梢蕴剿鞑捎枚鄬逾}鈦礦疊層結(jié)構(gòu)，通過能級匹配設(shè)計優(yōu)化電荷提取，并利用不同層材料特性差異來抑制缺陷和電流集中。此外，器件封裝技術(shù)也至關(guān)重要，高質(zhì)量的封裝可以有效隔絕水分和氧氣，減緩鈣鈦礦材料的降解，抑制缺陷的產(chǎn)生，從而間接提升器件的安全性。

第三，應(yīng)加強(qiáng)對鈣鈦礦電池在異常工況（如局部光照驟變、溫度沖擊、機(jī)械應(yīng)力等）下短路電流行為的深入研究。實際應(yīng)用中的工況往往比實驗室測試條件更為復(fù)雜，需要研究這些復(fù)雜因素如何影響器件內(nèi)部的電流分布和熱積累，以及器件的響應(yīng)機(jī)制。開發(fā)能夠在運行過程中實時監(jiān)測器件溫度和電流分布的在線診斷技術(shù)，對于及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患、預(yù)警熱失控風(fēng)險具有重要意義。

第四，應(yīng)加強(qiáng)對不同鈣鈦礦材料體系（如混合鈣鈦礦、鉛-free鈣鈦礦）短路電流特性的研究。不同材料體系具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，其缺陷類型、離子遷移特性、界面行為等都可能存在差異，這會影響短路電流的形成機(jī)制和安全風(fēng)險。針對不同材料體系，需要開發(fā)相應(yīng)的優(yōu)化策略和安全性評估方法。

3.展望

鈣鈦礦太陽能電池作為下一代光伏技術(shù)的重要候選者，其發(fā)展?jié)摿薮?。然而，其安全性和穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其大規(guī)模商業(yè)化的主要瓶頸之一。短路電流作為影響器件安全性的關(guān)鍵因素，對其進(jìn)行深入理解和精確控制至關(guān)重要。未來，針對鈣鈦礦電池短路電流的研究將在以下幾個方面繼續(xù)深入：

首先，在微觀機(jī)制探索方面，將需要更先進(jìn)的原位表征技術(shù)來揭示短路電流在器件運行過程中的動態(tài)演化過程。例如，結(jié)合原位μ-PIV與快速電化學(xué)測試，可以在器件工作狀態(tài)下實時觀察電流分布的變化；利用原位X射線衍射、原位光譜等技術(shù)，可以研究溫度、光照等因素對鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)的影響。這些研究將有助于更深入地理解短路電流的形成和演化機(jī)制，為器件優(yōu)化提供更精準(zhǔn)的指導(dǎo)。

其次，在抑制策略方面，將需要開發(fā)更高效、更普適的缺陷鈍化和界面工程方法。例如，探索新型高效鈍化劑，實現(xiàn)對不同類型缺陷（離子空位、電子空位等）的高效鈍化；開發(fā)新型界面修飾層，實現(xiàn)與鈣鈦礦的完美能級匹配和高質(zhì)量界面形成。此外，基于理論計算和模擬的方法，如密度泛函理論（DFT）計算缺陷能級、有限元模擬器件內(nèi)部電場和溫度分布等，將與實驗研究緊密結(jié)合，指導(dǎo)新材料和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)，預(yù)測器件性能和安全性。

第三，在安全性評估方面，將需要建立更完善的鈣鈦礦電池安全性標(biāo)準(zhǔn)和評估體系。除了傳統(tǒng)的電學(xué)參數(shù)測試和穩(wěn)定性測試外，應(yīng)將短路電流特性、熱失控風(fēng)險評估等納入標(biāo)準(zhǔn)體系。開發(fā)便攜式或在線式的電池安全診斷設(shè)備，能夠在電池制造、運輸、使用等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行安全性檢測，確保電池的安全可靠運行。

第四，在器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，將探索更安全的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，開發(fā)無空層或采用新型空層結(jié)構(gòu)的器件，以簡化器件結(jié)構(gòu)并可能降低界面問題；探索全固態(tài)鈣鈦礦電池，用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，從根本上解決液態(tài)電池的安全問題，同時也可能影響短路電流的分布和行為。

總而言之，深入研究和有效控制鈣鈦礦電池的短路電流是推動該技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過多學(xué)科的交叉合作，結(jié)合先進(jìn)的實驗表征技術(shù)和理論計算模擬，不斷揭示短路電流的奧秘，開發(fā)創(chuàng)新的抑制策略和安全性評估方法，我們有理由相信，鈣鈦礦太陽能電池將在解決全球能源問題中發(fā)揮越來越重要的作用。未來的研究不僅需要追求更高的效率，更需要將安全性和穩(wěn)定性放在同等重要的位置，實現(xiàn)鈣鈦礦電池技術(shù)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

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