掃描電鏡解密太陽(yáng)能電池的微觀奧秘

太陽(yáng)能電池商業(yè)應(yīng)用之前，人類對(duì)太陽(yáng)能的利用非常有限。晾曬麥粒、衣物等是直接利用太陽(yáng)能。間接利用，以火力發(fā)電為例，太陽(yáng)能在百萬(wàn)年前被生物存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)化為煤炭，通過(guò)燃燒變?yōu)闊崮�，熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能，才能被人類廣泛應(yīng)用到生活生產(chǎn)中，期間經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的時(shí)間累積和復(fù)雜轉(zhuǎn)化。

太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)，提供了全新的使用路徑，通過(guò)光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)，一步將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能電池主要有 3 大類：晶硅電池、鈣鈦礦電池和薄膜電池。

01 晶硅電池
晶硅電池是光伏發(fā)電的主力軍，技術(shù)最成熟。在新疆、西藏、內(nèi)蒙古的大型光伏電站，還有農(nóng)村的光伏屋頂和城市里的路燈，晶硅電池都是�？汀�
 

用掃描電鏡一看，晶硅電池的硅片表面就像是精心雕琢的金字塔，可以觀測(cè)其形態(tài)和尺寸。傾斜 45 度可檢查金字塔尖端，垂直 90 度觀察硅片斷面，測(cè)量金字塔高度和各種膜層厚度。

掃描電鏡下單晶硅片的金字塔結(jié)構(gòu)
 

45 度的金字塔掃描電鏡圖
 

斷面 + 減反射膜掃描電鏡圖

電池電極主要由金屬材料制成，但直接破片會(huì)破壞金屬斷面的形貌，需要借助離子研磨儀來(lái)幫忙，無(wú)機(jī)械應(yīng)力切開(kāi)樣品，使用飛納電鏡能譜一體機(jī)來(lái)清晰觀測(cè)到斷面結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行能譜成分分析。
 

晶硅電池 Ag 電極表面掃描電鏡圖

銀漿與 Si 燒結(jié)的離子研磨斷面掃描電鏡圖

銅電極，Cu晶粒形態(tài)，兩層金屬間 IMC 相，以及與硅片結(jié)合處的孔缺陷掃描電鏡圖
 

銅電極斷面掃描電鏡能譜面掃結(jié)果

02鈣鈦礦電池
鈣鈦礦電池雖然處于產(chǎn)業(yè)化的初期階段，但是展現(xiàn)出驚人的潛力。鈣鈦礦電池帶來(lái)了轉(zhuǎn)化效率的新突破，商業(yè)化的單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率一般在 19% 到 22%，而全鈣鈦礦疊層電池實(shí)現(xiàn)了 29.34% 轉(zhuǎn)化效率，鈣鈦礦/硅疊層電池則達(dá)到了 34.2%（1 平方厘米）。
 

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，屬于第三代太陽(yáng)能電池，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)可分為 5 層：
 

鈣鈦礦材料，特別是那些含有有機(jī)成分的鈣鈦礦，容易受到濕度、氧氣和溫度的影響。這些環(huán)境因素可能導(dǎo)致鈣鈦礦材料的降解，從而影響電池的性能和穩(wěn)定性。為了提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性和壽命，研究人員正在探索多種方法來(lái)保護(hù)鈣鈦礦層。

在掃描電鏡表征手段上，飛納電鏡提供 2 種解決方案：

方案一：手套箱版本掃描電鏡

”飛納電鏡是唯一可以放入手套箱的掃描電鏡，在手套箱惰性氣體保護(hù)氛圍下，直接在手套箱內(nèi)進(jìn)行掃描電鏡表征。”

方案二：常規(guī)飛納電鏡+真空轉(zhuǎn)移杯

”在手套箱內(nèi)將樣品制備轉(zhuǎn)移到密閉的真空轉(zhuǎn)移杯中，直接放入飛納電鏡中觀察。”

掃描電鏡下鈣鈦礦層表面形貌

鈣鈦礦電池?cái)嗝鎾呙桦婄R圖

03薄膜電池
薄膜太陽(yáng)能電池是一種使用薄膜材料作為主要功能層的太陽(yáng)能電池技術(shù)。與傳統(tǒng)的晶硅太陽(yáng)能電池相比，薄膜太陽(yáng)能電池的厚度要薄得多，通常只有幾微米到幾十微米，遠(yuǎn)小于晶硅電池的幾百微米。常見(jiàn)的有碲化鎘（CdTe）電池和銅銦鎵硒（CIGS）電池，它易于大規(guī)模生產(chǎn)，重量輕可彎曲，適合集成到建筑外墻、可穿戴設(shè)備上。
 

CdTe 薄膜電池是一種高效的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備，它通過(guò)將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能，利用碲化鎘材料的光電特性，實(shí)現(xiàn)高效率的能量捕獲和轉(zhuǎn)換，適用于太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，特別是在需要輕質(zhì)、柔性太陽(yáng)能解決方案的場(chǎng)合。
 

總之，晶硅電池技術(shù)成熟，廣泛應(yīng)用于光伏電站和城市照明。鈣鈦礦電池雖處于早期階段，但轉(zhuǎn)化效率高，具有巨大潛力，但需解決穩(wěn)定性問(wèn)題。薄膜電池輕薄靈活，適合集成到建筑和可穿戴設(shè)備中，三者共同推動(dòng)了太陽(yáng)能利用的高效和多樣化。