太陽能電池的微觀奧秘：掃描電鏡帶你一探究竟

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太陽能電池商業(yè)應用之前，人類對太陽能的利用非常有限。晾曬麥粒、衣物等是直接利用太陽能。間接利用，以火力發(fā)電為例，太陽能在百萬年前被生物存儲，轉化為煤炭，通過燃燒變?yōu)闊崮?，熱能轉化為機械能再轉化為電能，才能被人類廣泛應用到生活生產(chǎn)中，期間經(jīng)過了漫長的時間累積和復雜轉化。

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太陽能電池的出現(xiàn)，提供了全新的使用路徑，通過光電效應或光化學效應，一步將太陽能轉化為電能。太陽能電池主要有 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，技術成熟。在新疆、西藏、內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，晶硅電池都是常客。

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，可以觀測其形態(tài)和尺寸。傾斜 45 度可檢查金字塔頂端，垂直 90 度觀察硅片斷面，測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構

 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，但直接破片會破壞金屬斷面的形貌，需要借助離子研磨儀來幫忙，無機械應力切開樣品，使用飛納電鏡能譜一體機來清晰觀測到斷面結構，并進行能譜成分分析。

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。鈣鈦礦電池帶來了轉化效率的新突破，商業(yè)化的單晶硅太陽能電池的轉化效率一般在 19% 到 22%，而全鈣鈦礦疊層電池實現(xiàn)了 29.34% 轉化效率，鈣鈦礦/硅疊層電池則達到了 34.2%（1 平方厘米）。

鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池結構可分為 5 層：

鈣鈦礦材料，特別是那些含有有機成分的鈣鈦礦，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能電池的穩(wěn)定性和壽命，研究人員正在探索多種方法來保護鈣鈦礦層。

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

”飛納電鏡是可以放入手套箱的掃描電鏡，在手套箱惰性氣體保護氛圍下，直接在手套箱內進行掃描電鏡表征?！?/p>

方案二：常規(guī)飛納電鏡+真空轉移杯

”在手套箱內將樣品制備轉移到密閉的真空轉移杯中，直接放入飛納電鏡中觀察。”

掃描電鏡下鈣鈦礦層表面形貌

鈣鈦礦電池斷面掃描電鏡圖

03薄膜電池

薄膜太陽能電池是一種使用薄膜材料作為主要功能層的太陽能電池技術。與傳統(tǒng)的晶硅太陽能電池相比，薄膜太陽能電池的厚度要薄得多，通常只有幾微米到幾十微米，遠小于晶硅電池的幾百微米。常見的有碲化鎘（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、可穿戴設備上。

CdTe 薄膜電池是一種高效的太陽能轉換設備，它通過將太陽光能直接轉換為電能，利用碲化鎘材料的光電特性，實現(xiàn)高效率的能量捕獲和轉換，適用于太陽能發(fā)電領域，特別是在需要輕質、柔性太陽能解決方案的場合。

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