钙钛矿电池正扫与反扫的区别

钙钛矿电池的正扫与反扫在测试方向、电流-电压曲线特征、迟滞效应、效率表现及物理机制上存在显著差异，这些差异直接影响对电池性能的评估。以下是具体分析：

一、测试方向与操作定义

1. 正扫（Forward Scan）

• 方向：从短路电流（$J_{sc}$）向开路电压（$V_{oc}$）扫描，即电压从低到高逐步增加。

• 过程：负载电阻逐渐减小，电流和电压同步上升，直至达到最大功率点（MPP）。

• 目的：评估电池在正向偏压下的输出性能，反映实际工作状态下的电流、电压和功率特性。

2. 反扫（Reverse Scan）

• 方向：从开路电压（$V_{oc}$）向短路电流（$J_{sc}$）扫描，即电压从高到低逐步降低。

• 过程：负载电阻逐渐增加，电流和电压同步下降，直至达到短路状态。

• 目的：检测电池在反向偏压下的特性，包括开路电压、短路电流和反向漏电流，评估反向性能和安全性。

二、电流-电压曲线（J-V曲线）特征

1. 正扫曲线

• 形状：通常呈现“S型”曲线，填充因子（FF）可能较低，尤其在迟滞效应显著时。

• 原因：正向扫描时，光照产生的电流需对电池内部电容充电，导致部分光电流损耗，实际测得的电流偏小。

2. 反扫曲线

• 形状：曲线更接近矩形，填充因子较高，效率表现更优。

• 原因：反向扫描前，电容已提前充电，扫描过程中电容持续放电，补充了光电流，使测得的电流增大。

三、迟滞效应（Hysteresis）

1. 定义

• 迟滞指数（$HI$）用于量化正扫与反扫效率的差异，公式为：

• $HI$值越小，表明迟滞效应越弱，电池性能越稳定。

1. 表现

• 正扫效率：通常低于反扫效率，因电容充电导致电流损耗。

• 反扫效率：更接近电池真实效率，但可能因扫描速度过快而高估实际性能。

• 极端情况：若扫描速度极慢，充放电瞬态影响消除，迟滞效应可被抑制，但实际测试中难以完全避免。

四、效率表现与测试准确性

1. 效率差异

• 正扫效率：可能因电流损耗被低估，尤其在迟滞效应显著时。

• 反扫效率：可能因电容放电被高估，但更接近电池真实性能。

• 案例：

  1) 2025年南科大研发的倒置结构钙钛矿电池，正扫效率达26.75%，反扫效率达26.93%，迟滞效应极小。

  2) 2024年光因科技的大面积钙钛矿电池，正扫效率22.12%，反扫效率超22%，迟滞指数仅0.01993，表明测试准确性高。

2. 测试条件影响

• 扫描速度：速度越快，迟滞效应越显著；速度极慢时，迟滞可被消除。

• 光照与温度：不同光照强度和温度会显著影响测试结果，需保持环境稳定性。

五、物理机制解释

1. 铁电效应与介电常数

• 钙钛矿材料具有强铁电性能和高介电常数，导致低频电容较大。

• 正向扫描时，电容充电损耗电流；反向扫描时，电容放电补充电流，形成迟滞。

2. 离子迁移与缺陷态

• 钙钛矿薄膜中的离子迁移和缺陷态会导致电荷复合，进一步加剧迟滞效应。

• 通过界面缺陷钝化（如采用双功能有机分子添加剂）可显著降低迟滞，提升效率稳定性。

六、应用与测试意义

1. 全面评估性能

• 正扫与反扫结合使用，可全面评估电池的正向输出性能、反向特性及迟滞效应，为质量控制提供依据。

2. 指导工艺优化

• 迟滞效应的大小反映电池内部缺陷和离子迁移程度，指导薄膜结晶控制、界面钝化等工艺改进。

3. 标准测试要求

• 国际标准（如IEC 60904-1:2020）要求同时报告正扫与反扫效率，以确保数据可比性和准确性。