钙钛矿电池短路的原因有哪些？

钙钛矿电池短路的原因主要包括材料缺陷、界面电荷积累、传输层迁移率差异、环境因素影响、载流子动力学失衡以及制备工艺缺陷，以下为具体分析：

1. 材料缺陷：钙钛矿材料内部的晶格缺陷（如卤素空位、有机阳离子无序排列）会形成深能级陷阱态，促使光生电子与空穴发生非辐射复合。当钙钛矿薄膜晶粒尺寸小于500纳米时，晶界处缺陷密度显著增加，导致载流子寿命缩短，进而引发短路。

2. 界面电荷积累：钙钛矿层与电子传输层（如二氧化钛）或空穴传输层（如Spiro-OMeTAD）之间的能级不匹配，会导致界面电荷积累。例如，当二氧化钛导带位置高于钙钛矿导带0.3电子伏特时，电子注入势垒会使部分载流子在界面处滞留，形成堆积效应，降低有效电流输出并诱发离子迁移，最终引发短路。

3. 传输层迁移率差异：电子传输层与空穴传输层的迁移率差异会导致电荷传输不平衡。例如，二氧化钛的电子迁移率约为0.1平方厘米每伏秒，而新型锡基钙钛矿材料的空穴迁移率可达10平方厘米每伏秒。这种数量级的差异在1太阳光照强度下可能形成局部电场畸变，当传输层厚度超过150纳米时，其体电阻会抵消钙钛矿层的优异载流子扩散能力，导致短路。

4. 环境因素影响：湿度与温度变化会改变钙钛矿晶体结构，进而影响载流子浓度。相对湿度超过55%时，MAPbI3材料会发生水合相变，生成PbI2和CH3NH3I的混合物，导致光吸收边蓝移50毫电子伏特，使短路电流密度降低12%-15%。温度循环实验显示，在85℃环境下持续100小时后，器件的串联电阻增加300%，这与钙钛矿/空穴传输层界面处生成的绝缘性PbO2密切相关。

5. 载流子动力学失衡：钙钛矿层的吸光系数在可见光区达到105厘米-1量级，但过快的载流子产生速率可能超出传输层的提取能力。当入射光强超过标准太阳光3倍时，瞬态荧光光谱显示载流子寿命从200纳秒骤降至50纳秒，这种非线性效应在微米级厚度的钙钛矿层中更为显著，空间电荷限制电流模型表明，优化厚度至450纳米可使载流子收集效率达到98%。

6. 制备工艺缺陷：溶液法制备过程中产生的针孔缺陷是微观漏电的主要诱因。原子力显微镜扫描显示，旋涂速度低于2000转每分钟时，薄膜表面会出现直径50-200纳米的针孔。这些缺陷使钙钛矿层与对电极直接接触，形成并联电阻通道。电致发光成像技术证实，单个针孔缺陷可使局部电流密度降低40%，且缺陷密度每增加1个/平方微米，器件的填充因子就下降0.5%。