扫描电镜解密太阳能电池的微观奥秘

太阳能电池商业应用之前，人类对太阳能的利用非常有限。晾晒麦粒、衣物等是直接利用太阳能。间接利用，以火力发电为例，太阳能在百万年前被生物存储，转化为煤炭，通过燃烧变为热能，热能转化为机械能再转化为电能，才能被人类广泛应用到生活生产中，期间经过了漫长的时间累积和复杂转化。

太阳能电池的出现，提供了全新的使用路径，通过光电效应或光化学效应，一步将太阳能转化为电能。太阳能电池主要有 3 大类：晶硅电池、钙钛矿电池和薄膜电池。

01 晶硅电池
晶硅电池是光伏发电的主力军，技术最成熟。在新疆、西藏、内蒙古的大型光伏电站，还有农村的光伏屋顶和城市里的路灯，晶硅电池都是常客。
 

用扫描电镜一看，晶硅电池的硅片表面就像是精心雕琢的金字塔，可以观测其形态和尺寸。倾斜 45 度可检查金字塔尖端，垂直 90 度观察硅片断面，测量金字塔高度和各种膜层厚度。

扫描电镜下单晶硅片的金字塔结构
 

45 度的金字塔扫描电镜图
 

断面 + 减反射膜扫描电镜图

电池电极主要由金属材料制成，但直接破片会破坏金属断面的形貌，需要借助离子研磨仪来帮忙，无机械应力切开样品，使用飞纳电镜能谱一体机来清晰观测到断面结构，并进行能谱成分分析。
 

晶硅电池 Ag 电极表面扫描电镜图

银浆与 Si 烧结的离子研磨断面扫描电镜图

铜电极，Cu晶粒形态，两层金属间 IMC 相，以及与硅片结合处的孔缺陷扫描电镜图
 

铜电极断面扫描电镜能谱面扫结果

02钙钛矿电池
钙钛矿电池虽然处于产业化的初期阶段，但是展现出惊人的潜力。钙钛矿电池带来了转化效率的新突破，商业化的单晶硅太阳能电池的转化效率一般在 19% 到 22%，而全钙钛矿叠层电池实现了 29.34% 转化效率，钙钛矿/硅叠层电池则达到了 34.2%（1 平方厘米）。
 

钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，钙钛矿太阳能电池结构可分为 5 层：
 

钙钛矿材料，特别是那些含有有机成分的钙钛矿，容易受到湿度、氧气和温度的影响。这些环境因素可能导致钙钛矿材料的降解，从而影响电池的性能和稳定性。为了提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和寿命，研究人员正在探索多种方法来保护钙钛矿层。

在扫描电镜表征手段上，飞纳电镜提供 2 种解决方案：

方案一：手套箱版本扫描电镜

”飞纳电镜是唯一可以放入手套箱的扫描电镜，在手套箱惰性气体保护氛围下，直接在手套箱内进行扫描电镜表征。”

方案二：常规飞纳电镜+真空转移杯

”在手套箱内将样品制备转移到密闭的真空转移杯中，直接放入飞纳电镜中观察。”

扫描电镜下钙钛矿层表面形貌

钙钛矿电池断面扫描电镜图

03薄膜电池
薄膜太阳能电池是一种使用薄膜材料作为主要功能层的太阳能电池技术。与传统的晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池的厚度要薄得多，通常只有几微米到几十微米，远小于晶硅电池的几百微米。常见的有碲化镉（CdTe）电池和铜铟镓硒（CIGS）电池，它易于大规模生产，重量轻可弯曲，适合集成到建筑外墙、可穿戴设备上。
 

CdTe 薄膜电池是一种高效的太阳能转换设备，它通过将太阳光能直接转换为电能，利用碲化镉材料的光电特性，实现高效率的能量捕获和转换，适用于太阳能发电领域，特别是在需要轻质、柔性太阳能解决方案的场合。
 

总之，晶硅电池技术成熟，广泛应用于光伏电站和城市照明。钙钛矿电池虽处于早期阶段，但转化效率高，具有巨大潜力，但需解决稳定性问题。薄膜电池轻薄灵活，适合集成到建筑和可穿戴设备中，三者共同推动了太阳能利用的高效和多样化。