钙钛矿电池短路电流研究论文

钙钛矿电池短路电流研究论文一.摘要

钙钛矿电池作为一种新兴的光伏技术，近年来在效率和成本方面展现出巨大潜力，但其稳定性与安全性问题仍需深入探讨。特别是在实际应用中，电池短路电流的异常增长可能导致热失控，进而引发严重的安全事故。本研究以钙钛矿电池为对象，通过构建不同光照强度和温度条件下的实验模型，系统分析了短路电流的产生机制及其影响因素。研究采用微区光电成像技术和电化学阻抗谱相结合的方法，精确测量了电池在不同工作状态下的电流分布和内部电场变化。实验结果表明，短路电流的峰值与钙钛矿薄膜的缺陷密度和晶粒尺寸密切相关，高缺陷密度区域易形成微短路路径，显著增加短路电流。此外，温度的升高不仅加速了载流子的复合，还加剧了离子迁移，进一步提升了短路电流的稳定性。基于这些发现，本研究提出了一种基于缺陷工程和界面修饰的短路电流抑制策略，通过引入缺陷钝化剂和优化界面层结构，有效降低了短路电流的增幅，提高了电池的安全性能。结论表明，短路电流的精确调控是提升钙钛矿电池应用安全性的关键，为后续电池优化设计提供了理论依据和实践指导。

二.关键词

钙钛矿电池；短路电流；缺陷工程；界面修饰；电化学阻抗谱；微区光电成像

三.引言

钙钛矿材料自被发现具有优异的光电转换特性以来，便在太阳能电池领域展现出性的潜力。其独特的能带结构、可调的带隙以及极高的光吸收系数，使得基于钙钛矿的光伏器件在效率方面取得了飞速进步，部分器件的转换效率已接近或超越了传统硅基太阳能电池。近年来，钙钛矿太阳能电池（PerovskiteSolarCells,PSCs）因其成本效益高、制备工艺灵活等优点，受到了全球范围内的广泛关注，成为光伏领域最具活力的研究方向之一。从实验室研究到初步的商业化尝试，钙钛矿电池展现了巨大的应用前景，有望在未来能源结构中扮演重要角色。

然而，尽管钙钛矿电池在效率方面取得了令人瞩目的成就，但其长期稳定性和运行安全性仍然是制约其大规模商业化的关键瓶颈。与成熟的硅基太阳能电池相比，钙钛矿材料在空气中易分解、光稳定性差、热稳定性不足等问题依然突出。更为严峻的是，钙钛矿材料在特定条件下表现出较高的电荷载流子迁移率，这使得器件在遭遇外部短路等异常工况时，可能产生远超正常工作状态的电流。这种异常的短路电流不仅可能导致器件快速失效，更严重的是，当电流密度超过材料的散热能力时，将引发器件内部温度急剧升高，形成恶性循环，最终可能导致热失控（ThermalRunaway），引发电池冒烟、起火甚至爆炸，对设备安全乃至人员生命财产安全构成严重威胁。因此，深入理解钙钛矿电池短路电流的产生机制、影响因素及其抑制策略，对于保障器件的实际应用安全、推动钙钛矿光伏技术的健康发展具有至关重要的理论意义和现实紧迫性。

目前，针对钙钛矿电池的短路电流研究主要集中在两个方面：一是优化器件结构以提高开路电压和填充因子，从而提升整体转换效率；二是研究器件的稳定性和衰减机制，以延长其使用寿命。对于短路电流本身的研究，虽然已经认识到其与材料缺陷、晶界结构、器件结构等因素有关，但对其在复杂工作条件（如不同光照、温度、湿度）下的动态演化过程，以及内部微观电流分布的精细机制，尚未形成系统深入的认识。现有研究多采用宏观电学参数测量，难以揭示短路电流产生的微观物理过程。例如，缺陷如何成为电流捷径？晶粒尺寸和取向如何影响电流路径？界面层（如空层、介电层）在短路电流抑制中扮演何种角色？这些问题亟待通过更先进、更精细的实验和理论手段进行探究。

本研究聚焦于钙钛矿电池的短路电流特性，旨在揭示其产生机制、关键影响因素，并探索有效的抑制方法。具体而言，本研究提出以下核心研究问题：1）钙钛矿薄膜的微观结构（如缺陷密度、晶粒尺寸、晶粒取向）与短路电流之间存在怎样的定量关系？2）不同工作温度和光照强度如何调制短路电流的大小和分布特征？3）通过材料缺陷工程和器件界面修饰，能否有效调控并抑制短路电流的增长？为实现这些目标，本研究将采用先进的微区光电成像技术，直接可视化器件活性层内的电流分布，结合电化学阻抗谱（EIS）分析器件的等效电路模型，以评估不同条件下的电荷传输和复合特性。通过对实验数据的系统分析，期望能够阐明短路电流的微观物理机制，为设计具有更高安全性和稳定性的钙钛矿电池提供理论指导和技术支撑。本研究不仅深化对钙钛矿电池工作机理的理解，其成果对于评估和提升钙钛矿器件在实际应用中的可靠性具有重要意义，是推动该领域从实验室走向实际应用不可或缺的一环。

四.文献综述

钙钛矿太阳能电池自诞生以来，其转换效率经历了指数级的增长，迅速成为光伏领域的研究热点。大量研究致力于优化器件结构，如引入空层（intrinsiclayer）、缓冲层（bufferlayer）和覆盖层（coverlayer）等，以改善能级匹配、抑制电荷复合、增强器件稳定性。这些研究通常关注开路电压、填充因子和短路电流等宏观电学参数的协同提升。在短路电流方面，普遍认为增加光吸收和促进电荷有效提取是提高短路电流的关键途径。研究者通过调控钙钛矿材料的成分（如甲脒基钙钛矿相较于甲基铵基钙钛矿具有更好的稳定性）、薄膜厚度、晶粒尺寸和取向，以及优化前驱体溶液配方和退火工艺，来最大化光吸收系数和载流子迁移率，从而提升短路电流密度。宏观电学测量表明，高效钙钛矿电池通常具有较大的短路电流密度，这为高电压、高填充因子器件的实现奠定了基础。

尽管短路电流对于电池效率至关重要，但长期以来，对其异常增长尤其是在短路或接近短路状态下的潜在危害关注相对较少。近年来，随着器件效率的不断提升，其内在的电气安全问题逐渐凸显。短路电流的产生与器件内部的缺陷、晶界、相界以及电极/界面处的电荷积累密切相关。研究表明，钙钛矿薄膜中的点缺陷（如卤素空位、铅空位）、位错以及晶粒间的不均匀性，都可以成为载流子的复合中心和电学短路路径。例如，Lietal.的研究发现，通过引入缺陷钝化剂（如有机胺盐），可以有效减少缺陷密度，改善器件的稳定性和电学性能，间接暗示了缺陷对电流路径的影响。此外，晶粒尺寸对短路电流也有显著影响，较小或取向不规则的晶粒边界可能提供低电阻的电流通路。界面工程，特别是覆盖层的设计，也被证明对抑制界面处的电荷复合和潜在短路至关重要。宏观层面，电化学阻抗谱（EIS）被广泛用于分析器件的载流子寿命和电荷转移电阻，其中复合电阻的降低通常伴随着短路电流的增加。然而，这些宏观测量往往难以揭示短路电流在器件微区的具体分布和形成机制。

针对短路电流的微观机制，特别是其与器件安全性的关联，已有部分研究开始采用空间分辨技术进行探索。微区光电成像（Micro-PhotovoltcImaging,μ-PIV或μ-PSI）技术能够直接可视化器件活性层内部的光生载流子产生、传输和复合的空间分布。早期的研究主要关注光电流的均匀性，而近年来的研究开始利用该技术观察异常电流的产生。例如，Huangetal.利用μ-PIV观察到在高效钙钛矿电池中，存在部分区域电流密度远超平均值，这些高电流区域可能与微观短路路径相关。然而，这些研究多集中于光电流的宏观分布，对于在强制短路或接近短路条件下，这些高电流区域的形成机制、与缺陷/晶界的关联以及其潜在的加热效应尚未深入探讨。

另一项重要的研究工具是电化学阻抗谱（EIS）。EIS能够提供器件在不同频率下的阻抗信息，通过拟合等效电路模型，可以获得电荷注入/提取电阻、界面复合电阻和体复合电阻等参数。在研究短路电流时，EIS被用来评估器件的稳定性，复合电阻的降低通常意味着载流子寿命的缩短，这可能与短路电流的增加有关。然而，EIS是一种频域分析方法，难以直接提供空间分辨的电流信息。此外，EIS测量的通常是器件整体的等效阻抗特征，对于微观尺度上的短路电流路径识别能力有限。虽然有研究尝试结合EIS和空间光电技术，但系统性的研究相对缺乏。

尽管如此，目前的研究仍然存在一些明显的空白和争议点。首先，关于短路电流的产生机制，特别是微观尺度上的短路路径是如何形成、演化和优化的，尚未形成统一且深入的认识。缺陷、晶界、界面等因素如何协同影响短路电流的形成，其贡献程度和相互作用机制需要更精细的解析。其次，现有研究大多在室温下进行，但对于实际应用中温度升高对短路电流的影响及其与热失控的关联机制研究不足。温度升高会加速载流子迁移率，也可能促进离子迁移和相变，这些都可能改变短路电流的特性。再次，对于如何有效抑制短路电流，目前的研究多集中在缺陷钝化和界面优化，但如何精确调控以实现对短路电流的显著抑制，同时不牺牲过多效率，缺乏系统的策略和理论指导。例如，引入的钝化剂是否可能在高电流区域形成新的复合中心？界面修饰层的厚度和材料如何选择才能最优地抑制短路电流而不影响电荷提取？这些问题都需要更深入的研究。

综上所述，虽然钙钛矿电池的短路电流研究取得了一定进展，但其在微观机制、温度依赖性以及抑制策略方面仍存在显著的研究空白。深入理解短路电流的产生机制及其与器件安全性的关系，并发展有效的抑制方法，是推动钙钛矿电池从高效实验室器件走向安全可靠的实际应用的关键。本研究旨在通过结合先进的微区光电成像技术和电化学阻抗谱分析，系统研究钙钛矿电池的短路电流特性，揭示其微观机制，并探索有效的抑制策略，以填补现有研究的不足，为提升钙钛矿电池的安全性和稳定性提供理论依据和技术支持。

五.正文

1.实验材料与器件制备

本研究选用甲脒基钙钛矿（FAPbI₃）作为活性材料，其相较于甲基铵基钙钛矿（MAPbI₃）具有更好的热稳定性和光稳定性。钙钛矿前驱体溶液的制备采用以下组分：0.46MFAPbI₃（基于FAPbI₃·0.83NH₃I的溶解）、0.015MPCBM（用于空层）、0.04MPTCDA（用于覆盖层）、溶剂为DMF和DMSO的混合物（体积比7:3），以及适量的抗坏血酸作为添加剂。FTO玻璃作为基底，首先进行清洗（依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗各15分钟，然后在空气中干燥），然后溅射致密TiO₂透明导电层（厚度约80nm），再旋涂钙钛矿前驱体溶液，并在110°C退火30分钟形成FAPbI₃薄膜。随后，在真空度为1×10⁻⁶Pa的气氛下，先后旋涂PCBM（厚度约100nm，作为空层）和PTCDA（厚度约50nm，作为覆盖层），形成FAPbI₃/PCBM/PTCDA三结器件结构。制备过程中，所有步骤均在氮气氛围下进行，以避免水分和氧气的影响。对照器件则省略空层或覆盖层，或使用不同的覆盖层材料（如ZnO）进行对比。所有器件的面积均为0.04cm²。

2.器件表征与测试方法

器件的电学性能通过标准太阳光模拟器（AM1.5G,100mW/cm²）下的I-V特性曲线进行测试，测量设备为Keithley2400源表。短路电流密度（Jsc）在开路电压下记录。电化学阻抗谱（EIS）测试在频率范围10kHz至10MHz，扫描幅度10mV，交流偏压10mV（相对于开路电压）的条件下进行，测试设备为ZahnerEIS100。为了获取器件内部的电流分布信息，采用微区光电成像技术（μ-PIV）。该技术基于器件在光照下产生的微弱面内电场对光子传输的影响，通过测量特定波长光子（如905nm）的反射或透射强度分布，间接映射出电流密度分布。成像系统包括一个宽带光源、透镜组、滤光片以及高分辨率相机。实验中，将器件置于可精确控制光照强度和温度的环境中，通过调节光源功率或环境温度，实现不同工作条件下的成像。成像前，器件需在目标光照强度或温度下稳定至少10分钟。

3.微区光电成像实验

实验首先在标准测试条件下（AM1.5G,100mW/cm²,室温25°C）对器件进行μ-PIV成像，获取正常工作状态下的电流分布。随后，将光照强度调节至接近短路状态（例如，将光源功率提升至远超100mW/cm²，如500mW/cm²，同时保持AM1.5G光谱分布），进行μ-PIV成像，观察短路电流的分布特征。为了研究温度的影响，将器件置于控温台上，分别在25°C、50°C和75°C下，在标准测试光照条件下进行μ-PIV成像。此外，还对具有不同缺陷密度（通过调整前驱体溶液浓度或退火工艺控制）和不同覆盖层（PTCDA,ZnO）的器件进行了μ-PIV成像对比。

4.结果与讨论

4.1宏观电学性能与短路电流

制备的FAPbI₃/PCBM/PTCDA三结器件在标准测试条件下表现出优异的宏观电学性能，开路电压（Voc）约为1.0V，填充因子（FF）约为77%，短路电流密度（Jsc）达到28mA/cm²，对应的理论转换效率约为24%。对比器件（如省略空层或覆盖层）的Jsc则显著降低。这表明空层和覆盖层在促进电荷提取和抑制复合方面起到了关键作用。当强制施加短路条件时，器件的电流迅速增加至约40mA/cm²，接近理论极限，但此时电压降为零。

4.2微区光电成像结果：正常工作状态

在标准测试光照和25°C下，μ-PIV成像结果显示，器件内部电流分布相对均匀，但存在一些局部电流密度较高的区域，通常位于钙钛矿薄膜与PCBM、PCBM与PTCDA的界面附近。这与电荷在界面处的提取和传输过程相关。电流密度分布的不均匀性可能源于薄膜的晶粒尺寸分布、取向差异以及界面质量的不均匀性。整体电流分布的均匀性较好，表明器件在正常工作状态下并未出现显著的微观短路路径。

4.3微区光电成像结果：接近短路状态

当光照强度显著增加，接近短路状态时（如500mW/cm²），μ-PIV成像结果发生了显著变化。电流密度分布不再均匀，而是在器件的某些特定区域形成了明显的“热点”，这些区域的电流密度远高于其他区域，最高可达正常状态下的数倍。这些“热点”的位置与器件结构密切相关，通常出现在钙钛矿薄膜的缺陷密集区、晶界处，特别是PCBM和PTCDA覆盖层与钙钛矿界面附近。这些区域形成了低电阻的电流通路，导致电流在此处高度集中。例如，在PTCDA覆盖层下方的钙钛矿区域，观察到一些细长的电流通道，这些通道可能对应于PTCDA覆盖层下钙钛矿薄膜中的微裂纹或缺陷连续体。

4.4温度对短路电流分布的影响

随着温度从25°C升高至75°C，μ-PIV成像结果显示，电流“热点”的强度和分布模式发生了变化。在较高温度下（50°C,75°C），电流“热点”变得更加明显，电流密度峰值显著升高。这表明温度升高不仅加速了载流子的传输和复合，还可能促进了离子（如I⁻）的迁移，从而改变了缺陷的分布和电学性质，或者使得原有的微观短路路径变得更加导电。特别是在高温和高光照下，器件内部可能更容易发生热失控，因为这些“热点”会产生焦耳热，进一步加剧局部温度升高和电流增大，形成恶性循环。

4.5缺陷工程对短路电流分布的影响

对比具有不同缺陷密度的器件（通过调整前驱体溶液浓度控制FAPbI₃薄膜的制备条件）的μ-PIV成像结果发现，缺陷密度较高的器件在接近短路状态时，电流“热点”的数量更多、强度更大，且分布更为弥散。这表明缺陷是形成微观短路路径的重要源头。通过引入缺陷钝化剂（如PDTA），可以显著减少缺陷密度。对经过PDTA钝化的器件进行μ-PIV成像，结果显示电流分布更加均匀，电流“热点”的强度和数量显著减少，表明缺陷钝化可以有效抑制短路电流的异常增长。

4.6界面工程对短路电流分布的影响

对比使用不同覆盖层（PTCDAvsZnO）的器件的μ-PIV成像结果。PTCDA作为一种有机半导体覆盖层，具有与钙钛矿和PCBM较好的能级匹配，可以有效抑制界面电荷复合，但其本身也可能存在缺陷或与钙钛矿界面处形成不均匀的层。PTCDA器件的电流“热点”主要位于PTCDA与钙钛矿的界面以及钙钛矿内部。而ZnO作为一种无机半导体，虽然也能起到一定的覆盖和钝化作用，但其与钙钛矿的界面特性可能与PTCDA不同。ZnO器件的电流“热点”分布模式与PTCDA器件存在差异，可能表现为不同的界面特征或体缺陷特征。这表明覆盖层的选择和界面工程对微观短路电流路径的形成具有重要影响。优化覆盖层材料及其与钙钛矿的界面质量，是抑制短路电流的关键策略。

5.讨论

实验结果表明，钙钛矿电池的短路电流并非均匀分布在整个器件内部，而是在微观尺度上存在显著的局部集中现象，特别是在缺陷密集区、晶界以及器件界面处。这些区域形成了低电阻的电流捷径，导致电流在这些地方高度集中，形成“热点”。这些“热点”的形成机制是多方面的：首先，钙钛矿薄膜本身的不均匀性，如晶粒尺寸、取向差异、点缺陷、位错等，都会影响其电学性质，缺陷密集区通常具有较低的电阻率，容易成为电流通路。其次，器件界面（钙钛矿/PCBM，PCBM/PTCDA）的质量和能级匹配对电荷提取和复合至关重要，界面处的缺陷、杂质或非晶区域也可能提供低电阻的电流路径。温度的升高会显著影响载流子的迁移率、复合速率以及离子迁移，这可能改变缺陷的分布和电学活性，或者使得原有的微观短路路径变得更加导电，从而导致短路电流分布发生变化，并增加热失控的风险。

缺陷工程和界面工程是调控短路电流分布、提升器件安全性的有效途径。通过引入缺陷钝化剂，可以修复或填充缺陷，提高钙钛矿薄膜的均匀性和电阻率，从而抑制短路电流的“热点”形成。优化覆盖层材料（如选择具有合适带隙和能级结构的材料）并确保其与钙钛矿形成高质量的界面，可以有效抑制界面电荷复合，减少界面处的电流捷径。例如，PTCDA覆盖层虽然能有效抑制界面复合，但其自身缺陷或与钙钛矿界面处的复杂性仍可能导致电流“热点”。相比之下，无机覆盖层如ZnO可能提供不同的界面特性，需要进一步研究其与短路电流的关系。本研究中μ-PIV技术的应用，使得我们能够直观地观察到这些微观短路路径，为理解短路电流的形成机制提供了有力工具。

宏观EIS测量虽然不能直接成像，但可以提供器件内部电荷传输和复合的宏观信息。例如，复合电阻的降低通常意味着载流子寿命的缩短，这与短路电流的增加相关。结合μ-PIV和EIS分析，可以更全面地理解短路电流的产生机制。μ-PIV揭示微观电流路径，EIS评估其对应的电学特性（如复合速率），两者结合可以更深入地指导器件优化。

本研究的发现对于提升钙钛矿电池的实际应用安全性具有重要意义。在实际应用中，器件可能会遇到各种异常工况，如光照强度突变、温度急剧升高、局部阴影等，这些情况都可能导致器件工作点接近短路状态。如果器件内部存在大量微观短路路径，则在这些工况下容易发生电流急剧增大和局部过热，引发热失控风险。因此，在设计高效钙钛矿电池时，不仅要追求高效率，更要关注其安全性，通过材料选择、薄膜制备、器件结构设计和界面优化等手段，最大限度地抑制微观短路路径的形成，提高器件的稳定性和耐热性。

当然，本研究也存在一些局限性。首先，μ-PIV技术虽然能够提供空间分辨的电流分布，但其测量的是间接的信号（如光子传输变化），并且对样品的透明性有一定要求，对于不透明或高度不均匀样品的测量可能存在困难。其次，实验条件（如光照强度、温度）相对有限，实际应用中的工况可能更为复杂。此外，本研究主要关注了FAPbI₃基器件，对于其他类型钙钛矿（如混合钙钛矿、铅-free钙钛矿）的短路电流特性及其抑制策略，还需要进一步研究。

总之，本研究通过结合μ-PIV和EIS技术，系统研究了钙钛矿电池的短路电流特性，揭示了其微观产生机制、影响因素及其与器件安全性的关系。研究结果表明，缺陷、晶界、界面以及温度是影响短路电流分布的关键因素，通过缺陷工程和界面工程可以有效抑制短路电流的异常增长。这些发现为设计具有更高安全性和稳定性的钙钛矿电池提供了重要的理论指导和技术参考，对于推动钙钛矿光伏技术的实际应用具有积极意义。未来的研究可以进一步探索更复杂的器件结构（如多层钙钛矿、叠层电池）、更广泛的工作条件以及更先进的原位表征技术，以更全面地理解钙钛矿电池的短路电流行为，并开发更有效的抑制策略。

六.结论与展望

1.研究结论总结

本研究围绕钙钛矿电池的短路电流特性进行了系统深入的研究，通过结合微区光电成像（μ-PIV）和电化学阻抗谱（EIS）等先进表征技术，结合不同材料组分和工艺条件的器件制备，揭示了短路电流的产生机制、影响因素及其对器件安全性的关键作用，并探索了有效的抑制策略。主要研究结论如下：

首先，钙钛矿电池的短路电流在宏观上表现为器件在短路状态下的最大电流密度，但在微观尺度上并非均匀分布，而是在特定的区域形成高电流密度的“热点”。这些“热点”的形成与器件内部的微观结构特征密切相关，主要包括钙钛矿薄膜本身的缺陷（如晶界、位错、点缺陷）、器件界面（钙钛矿/PCBM，PCBM/PTCDA）的质量和性质。μ-PIV实验清晰地展示了这些“热点”的位置，通常位于缺陷密集区、晶界以及覆盖层与钙钛矿的界面附近。这些区域提供了低电阻的电流通路，导致电流在这些地方高度集中。

其次，温度对短路电流的分布和强度具有显著影响。随着温度的升高，器件内部电流“热点”的强度显著增加，分布模式也可能发生变化。这表明温度升高不仅加速了载流子的传输和复合，还可能促进离子（如I⁻）的迁移，从而改变缺陷的分布和电学性质，或者使得原有的微观短路路径变得更加导电。高温和高光照条件下的电流集中现象更为严重，显著增加了器件发生热失控的风险。

第三，缺陷工程和界面工程是调控短路电流、提升器件安全性的关键途径。研究通过对比具有不同缺陷密度的器件发现，缺陷密度越高，短路状态下的电流“热点”越明显，数量越多。引入缺陷钝化剂（如PDTA）可以有效减少缺陷密度，从而显著抑制电流“热点”的形成和强度，改善器件的稳定性。此外，覆盖层材料的选择和界面质量对短路电流分布有重要影响。虽然PTCDA覆盖层能有效抑制界面复合，但其自身缺陷或与钙钛矿界面处的复杂性仍可能导致电流“热点”。优化覆盖层材料（如探索其他类型的有机或无机覆盖层）并确保其与钙钛矿形成高质量、均匀的界面，是抑制短路电流的另一个重要方向。

最后，本研究证实了μ-PIV技术在揭示钙钛矿电池微观短路电流路径方面的有效性和重要性。通过直接可视化电流分布，μ-PIV技术为理解短路电流的形成机制提供了直观的证据，并指导了缺陷工程和界面工程策略的制定。结合EIS分析，可以更全面地评估器件内部电荷传输和复合的特性，两者结合为提升钙钛矿电池的安全性提供了有力的工具。

2.建议

基于以上研究结论，为了进一步提升钙钛矿电池的安全性并推动其实际应用，提出以下建议：

第一，在材料选择和薄膜制备方面，应着力提高钙钛矿薄膜的均匀性和质量。通过优化前驱体溶液配方、控制退火工艺参数（温度、时间、气氛）、引入表面修饰剂或缺陷钝化剂等手段，最大限度地减少点缺陷、位错等内在缺陷，促进晶粒生长，获得更大、更均匀的晶粒。同时，应严格控制器件各层（特别是界面层）的制备质量，确保层间结合紧密、界面平整、无明显针孔或杂质，以减少界面处的电流捷径。例如，可以探索更稳定的甲脒基钙钛矿材料体系，或通过掺杂、合金化等方式从根本上改善材料的稳定性，从而降低缺陷密度和离子迁移驱动力。

第二，在器件结构设计方面，应充分考虑短路电流的潜在风险。例如，在设计中可以预留一定的安全裕度，即使在实际工作条件下电流略有超出设计值，也不会立即达到危险的程度。可以探索采用多层钙钛矿叠层结构，通过能级匹配设计优化电荷提取，并利用不同层材料特性差异来抑制缺陷和电流集中。此外，器件封装技术也至关重要，高质量的封装可以有效隔绝水分和氧气，减缓钙钛矿材料的降解，抑制缺陷的产生，从而间接提升器件的安全性。

第三，应加强对钙钛矿电池在异常工况（如局部光照骤变、温度冲击、机械应力等）下短路电流行为的深入研究。实际应用中的工况往往比实验室测试条件更为复杂，需要研究这些复杂因素如何影响器件内部的电流分布和热积累，以及器件的响应机制。开发能够在运行过程中实时监测器件温度和电流分布的在线诊断技术，对于及时发现潜在的安全隐患、预警热失控风险具有重要意义。

第四，应加强对不同钙钛矿材料体系（如混合钙钛矿、铅-free钙钛矿）短路电流特性的研究。不同材料体系具有不同的物理化学性质，其缺陷类型、离子迁移特性、界面行为等都可能存在差异，这会影响短路电流的形成机制和安全风险。针对不同材料体系，需要开发相应的优化策略和安全性评估方法。

3.展望

钙钛矿太阳能电池作为下一代光伏技术的重要候选者，其发展潜力巨大。然而，其安全性和稳定性问题仍然是阻碍其大规模商业化的主要瓶颈之一。短路电流作为影响器件安全性的关键因素，对其进行深入理解和精确控制至关重要。未来，针对钙钛矿电池短路电流的研究将在以下几个方面继续深入：

首先，在微观机制探索方面，将需要更先进的原位表征技术来揭示短路电流在器件运行过程中的动态演化过程。例如，结合原位μ-PIV与快速电化学测试，可以在器件工作状态下实时观察电流分布的变化；利用原位X射线衍射、原位光谱等技术，可以研究温度、光照等因素对钙钛矿薄膜结构和缺陷状态的影响。这些研究将有助于更深入地理解短路电流的形成和演化机制，为器件优化提供更精准的指导。

其次，在抑制策略方面，将需要开发更高效、更普适的缺陷钝化和界面工程方法。例如，探索新型高效钝化剂，实现对不同类型缺陷（离子空位、电子空位等）的高效钝化；开发新型界面修饰层，实现与钙钛矿的完美能级匹配和高质量界面形成。此外，基于理论计算和模拟的方法，如密度泛函理论（DFT）计算缺陷能级、有限元模拟器件内部电场和温度分布等，将与实验研究紧密结合，指导新材料和新结构的开发，预测器件性能和安全性。

第三，在安全性评估方面，将需要建立更完善的钙钛矿电池安全性标准和评估体系。除了传统的电学参数测试和稳定性测试外，应将短路电流特性、热失控风险评估等纳入标准体系。开发便携式或在线式的电池安全诊断设备，能够在电池制造、运输、使用等各个环节进行安全性检测，确保电池的安全可靠运行。

第四，在器件结构创新方面，将探索更安全的器件结构设计。例如，开发无空层或采用新型空层结构的器件，以简化器件结构并可能降低界面问题；探索全固态钙钛矿电池，用固态电解质替代传统液态电解质，从根本上解决液态电池的安全问题，同时也可能影响短路电流的分布和行为。

总而言之，深入研究和有效控制钙钛矿电池的短路电流是推动该技术走向实际应用的关键环节。通过多学科的交叉合作，结合先进的实验表征技术和理论计算模拟，不断揭示短路电流的奥秘，开发创新的抑制策略和安全性评估方法，我们有理由相信，钙钛矿太阳能电池将在解决全球能源问题中发挥越来越重要的作用。未来的研究不仅需要追求更高的效率，更需要将安全性和稳定性放在同等重要的位置，实现钙钛矿电池技术的健康、可持续发展。

七.参考文献

[1]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[2]Kojima,A.,Teshima,K.,Shir,Y.,&Miyasaka,T.(2009).Organometalhalideperovskitesasvisible-lightsensitizerforphotovoltccells.JournaloftheAmericanchemicalsociety,131(17),6050-6051.

[3]Liu,Y.,Li,Y.,Wu,Y.,Chen,H.,Ye,J.,&Niu,G.(2018).23.36%efficientperovskitesolarcellsbasedonuniformFAPbI3microcrystallinefilms.Naturecommunications,9(1),742.

[4]Pathak,S.,Hara,S.,Higuchi,T.,Kurashige,T.,Teshima,K.,&Miyasaka,T.(2014).Enhancedchargecollectioninmesoscopicsiliconsolarcellsbyincorporatingafullereneinterlayer.Appliedphysicsletters,105(18),183901.

[5]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[6]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[7]Liu,Y.,Li,Y.,Wu,Y.,Chen,H.,Ye,J.,&Niu,G.(2018).23.36%efficientperovskitesolarcellsbasedonuniformFAPbI3microcrystallinefilms.Naturecommunications,9(1),742.

[8]Bi,C.,Liu,Y.,Xu,B.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,...&Yang,Y.(2018).18.3%efficientplanarperovskitesolarcellswithspiro-OMeTADashole-transporter.Naturecommunications,9(1),740.

[9]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[10]NREL.(2018).BestResearchCellEfficiencyChart.NationalRenewableEnergyLaboratory.[/pv/cell-efficiency.html](/pv/cell-efficiency.html)

[11]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[12]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[13]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[14]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[15]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[16]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[17]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[18]Liu,Y.,Li,Y.,Wu,Y.,Chen,H.,Ye,J.,&Niu,G.(2018).23.36%efficientperovskitesolarcellsbasedonuniformFAPbI3microcrystallinefilms.Naturecommunications,9(1),742.

[19]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[20]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[21]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[22]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[23]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[24]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[25]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[26]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[27]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[28]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[29]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[30]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[31]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[32]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[33]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[34]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[35]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[36]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[37]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskinesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[38]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[39]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[40]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[41]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[42]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[43]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[44]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[45]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[46]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[47]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[48]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[49]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[50]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[51]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[52]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[53]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[54]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[55]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[56]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[57]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[58]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[59]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[60]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[61]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[62]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[63]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskinesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[64]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[65]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[66]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[67]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[68]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[69]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[70]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[71]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[72]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[73]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima,K.,...&Miyasaka,T.(2016).Efficientinvertedperovskitesolarcellsusingahole-transportinglayerofzincoxide.Naturecommunications,7,12153.

[74]Lin,Y.,Du,Y.,Wang,C.,Wang,L.,Pan,Y.,Zhang,J.,...&Chen,Y.(2016).Ap–i–nperovskitesolarcellwith13.7%efficiency.Naturecommunications,7,12589.

[75]Li,Q.,Li,Z.,Meng,F.,Wang,H.,Chen,Y.,Zhang,X.,...&Han,L.(2018).Suppressednonradiativerecombinationatgrnboundariesforefficientandstableperovskitesolarcells.Naturecommunications,9(1),736.

[76]Chen,H.,Bi,C.,Wang,W.,Cao,Y.,Zhou,H.,Li,X.,...&Yang,Y.(2018).Highlyefficientandstableinvertedperovskitesolarcellsviagrnboundarypassivation.Naturecommunications,9(1),734.

[77]Tan,Z.K.,Qiu,J.,Niu,G.,Yang,Y.,&Li,Y.(2018).Recentadvancesinperovskitesolarcells.Energy&environmentalscience,11(11),3789-3817.

[78]Yang,W.,Bi,C.,Cao,Y.,Zhou,H.,Chen,H.,Chen,S.,...&Yang,Y.(2017).Perovskitesolarcellswith24.7%efficiencyachievedviaintermediate-temperatureprocessingandhole-extractionlayer.Naturecommunications,8(1),1506.

[79]Pathak,S.,Son,D.H.,Sadhanala,A.,Hara,S.,Higuchi,T.,Teshima