基于太阳光激发的钙钛矿太阳能电池户外开路电压成像技术研究

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)户外稳定性监测难题，研究人员创新性地利用太阳光作为唯一激发源，开发了户外光致发光(PL)成像和隐含开路电压(iVOC)成像技术。该研究首次实现了定量化户外iVOC成像，通过低成本设备获取了与实验室结果高度一致的PL图像，为PSCs户外性能退化机制研究提供了空间分辨分析工具，对推动钙钛矿光伏技术商业化具有重要意义。

　　

在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其快速提升的转换效率(目前已突破26%)而备受关注，但其商业化进程仍面临两大挑战：大面积制备时的效率保持问题和户外环境下的长期稳定性问题。传统室内老化研究难以真实反映实际工况下的性能衰减机制，而现有户外监测主要依赖电流-电压(I-V)曲线和最大功率点跟踪，缺乏空间分辨的表征手段。光致发光(PL)成像技术虽在实验室环境中被证明能有效分析晶体硅和钙钛矿电池的载流子复合、串联电阻等参数，但户外应用时面临太阳光背景噪声强、信号提取困难等瓶颈。

澳大利亚新南威尔士大学的研究团队在《Joule》发表的研究中，创新性地将PL成像技术应用于户外环境。研究人员采用太阳光作为唯一激发源，通过优化光学滤波系统和差分成像算法，成功实现了钙钛矿电池和组件的户外PL成像及隐含开路电压(iV_OC)定量成像。关键技术包括：使用窄带通滤波器(BPF)抑制太阳光背景噪声；通过开路/短路状态差分消除环境光干扰；基于750nm中心波长的BPF建立普适性iV_OC校准方法；采用低成本天文相机搭建便携式成像系统。

在"提取太阳光下的PL信号"部分，研究阐明了通过比较开路(OC)和短路(SC)状态下的图像差异来提取有效PL信号的原理。当器件处于OC时，光生载流子未被提取，产生高内置电压(V_i)和强PL信号；SC状态下V_i≈0，PL信号可忽略。通过数学推导证明：I_det^OC-I_det^SC≈I_PL^OC，从而有效分离PL信号与环境背景。

"光学滤波优化"章节通过模拟计算揭示了滤波器参数对信噪比(SNR)的关键影响。针对1.55eV带隙(E_g)的钙钛矿电池，760-761nm波段因处于AM1.5G光谱吸收谷而展现最佳SNR。实验采用10nm带宽的760nm和810nm滤波器，验证了理论预测。

"钙钛矿微型组件的户外PL成像"展示了该方法对器件缺陷的检测能力。对比新旧模块的PL图像发现，老化后模块效率从10.3%降至1.7%，PL强度显著降低且呈现空间非均匀衰减，暗示接触层电压降增加可能是性能衰退的重要原因。

突破性的"iV_OC成像"研究首次实现了户外条件下的定量电压成像。通过选择750nm BPF检测PL光谱高能尾端，克服了传统方法需要校准样品与待测样品光学特性一致的局限。实验数据显示，单个电池的iV_OC图像平均值与实测V_OC偏差小于5%，6串微型组件的总iV_OC(3.5±0.5V)与实测值(3.48±0.05V)高度吻合。

该研究的重要意义在于：创建了首个户外iV_OC成像方法，突破了传统电学测试缺乏空间分辨能力的局限；开发的低成本成像方案(约1000美元)使该技术具备大规模推广潜力；为钙钛矿组件户外退化机制研究提供了全新分析维度，特别是能够关联局部性能衰减与整体效率损失。研究提出的单BPF校准策略不仅适用于钙钛矿电池，还可拓展至其他光伏技术的户外表征，为光伏电站的现场质量评估开辟了新途径。