近年來，隨著有機金屬鈣鈦礦太陽能電池的快速發展，人們對柔性、低成本且易于加工的光伏材料的探索迎來了新的轉折點。鈣鈦礦材料具有高載流子遷移率、強吸收能力和可調帶隙等優異特性，使其成為制造低成本太陽能電池的理想候選材料。

為了推動該技術規模化并實現與硅基太陽能電池的競爭，深入理解鈣鈦礦材料的基本物理性質至關重要。Photon etc.的全局高光譜成像平臺（IMA和GRAND-EOS）能夠地回答科學家們長期以來關于鈣鈦礦優異性能的諸多疑問。事實上，IMA和GRAND-EOS可快速表征二維和三維鈣鈦礦晶體以及完整器件的結構和物理特性。全局高光譜成像結合了光譜學與成像技術：每張圖像在窄波段范圍內采集，可在大面積區域（從100×100μm2 到16×16 cm2 或更大）上以高光譜分辨率（<2 nm）和接近衍射極限的空間分辨率（~μm）獲取光致發光（PL）、電致發光（EL）、透射率和反射率數據。

通過分析這種空間與光譜信息的組合，可以提取以下信息：

· 吸收特性

· 缺陷的存在

· 非輻射復合損失

· 均勻性

· 衰退行為

當全局高光譜成像與Photon etc.的絕對校準模塊結合使用時，還可進一步提取光電性能參數：

· 準費米能級分裂

· 載流子傳輸效率

· 開路電壓（Voc）

· 外量子效率（EQE）

Photon etc. 的高光譜成像儀也可用于光致發光激發（PLE）測量。PLE是一種光譜技術，通過改變激發波長并在固定寬帶發射范圍內監測發光信號。PLE是研究特定材料吸收譜線的有效方法，當與高光譜成像相結合時，可幫助識別材料中的不均勻性和非輻射復合損失。

Photon etc. 的可調諧激光源（TLS）由兩個模塊組成：超連續光源（寬帶光源）和激光線可調諧濾波器（LLTF -帶通濾波器）。當與標準科研級顯微鏡結合使用時，TLS可將顯微鏡轉變為高光譜PLE系統。該系統可在可見光（400–1000 nm）、近紅外（900–1620 nm）或兩者（400–1620 nm）波段范圍內連續調諧。這一先進的平臺無需特殊樣品制備即可對先進材料進行深度表征。

全球各地的研究人員正廣泛使用Photon etc.的高光譜成像系統來優化其材料制備和器件制造工藝。

鈣鈦礦器件——光致發光與電致發光成像

瓦倫西亞大學的Henk Bolink博士與法國光伏能源研究與發展研究所（IPVF，原IRDEP）的研究人員合作，研究了具有不同電子傳輸層（PCBM和C60）的混合有機-無機甲胺鉛碘鈣鈦礦（CH?NH?PbI?）太陽能電池的性能。利用IMA獲得的發光高光譜數據（激發強度< 1 sun），研究人員成功識別出此類器件中存在的顯著空間不均勻性（圖1）。"這些空間不均勻性似乎與載流子提取問題有關，導致電池填充因子受限。"

圖1– 基于在1.15 V和1.16 V偏壓下獲取的EL高光譜圖像計算得到的電流傳輸效率（fT）分布圖。fT映射分別在微觀尺度（上圖）和整個器件層面（下圖）進行，針對采用PCBM（a、c，器件A）或C60（b、d，器件B）作為電子傳輸層（ETL）的鈣鈦礦太陽能電池。信號分布的插值結果以顏色標尺疊加顯示，便于視覺觀察。

鈣鈦礦晶體——光致發光成像

Photon etc. 與麥吉爾大學的David Cooke教授和西北大學的Mercouri Kanatzidis教授合作，研究了在空氣中老化后的鈣鈦礦晶體的成分。在幾分鐘內，系統在670×900μm2 的區域內采集了超過550–900 nm光譜范圍內的百萬條光致發光（PL）光譜（圖2）。光譜特征的變化以及強度的差異被歸因于晶界、缺陷以及相分離現象。

圖2–a)在770 nm處提取的PL圖像，b) PL中心波長的偽彩色圖，c)從高光譜數據中提取出的兩條PL光譜（顏色對應圖b中的區域）。

大尺寸鈣鈦礦晶體的研究是與紐卡斯爾大學Pablo Docampo教授研究團隊合作完成的。一個高效的太陽能電池需要盡可能高的發光性能。對PL強度進行成像（圖3）可快速評估非輻射復合損失，并為材料效率提供重要信息。為了獲得此類圖像，使用532 nm激光以10倍太陽光強等效功率激發樣品，光譜數據在不到一分鐘內以5 nm步長從670 nm到880 nm范圍內采集完成。

圖3–a)在790 nm處提取的PL圖像，b)從不同區域（見圖中對應標記點）提取的PL光譜。數據由IMA在10倍太陽光強等效功率下采集。

測量也在較大尺度上使用Photon etc.的GRAND-EOS平臺進行。采用532 nm激光在0.1倍太陽光強等效功率下激發樣品。圖4顯示了在2 cm×2 cm視場范圍內獲得的光致發光（PL）圖像。GRAND-EOS平臺能夠以更大范圍捕獲光學圖像，有助于優化制造工藝。

圖4–a)在790 nm處提取的PL圖像，b)從不同區域（見對應標記點）提取的PL光譜。數據由GRAND-EOS系統在0.1倍太陽光強等效功率下采集。

光致發光激發成像

最后，使用Photon etc.的可調諧激光源作為激發光源，對同一樣品進行了光致發光激發（PLE）和反射率成像，并采用Photon etc.的IMA系統進行PL成像，激發光源為532 nm激光（見圖5）。PLE光譜表明，PL發射強度依賴于激發光子的能量，在2.03 eV激發能量下達到最大強度。獲取空間信息不僅有助于識別樣品中缺陷的存在，還提供了有價值的洞察。此外，已有研究表明，將PLE與拉曼光譜結合可用于識別鈣鈦礦晶體中PL發射的來源。最后，將PL和PLE測量結果與Franck-Condon模型相結合，可以深入了解電子-聲子相互作用。

圖5–a)在2.33 eV能量下從鈣鈦礦晶體獲得的光致發光激發（PLE）高光譜圖像；b)在2.33 eV能量下提取的反射率高光譜圖像；c)從a)和b)中對應區域提取的PLE（橙色填充）、反射率以及PL（藍色填充）光譜。

鈣鈦礦薄膜——光致發光成像

劍橋大學的Sam Stranks教授正在通過光致發光（PL）成像研究混合鹵素鉛鈣鈦礦的基本性質（見圖6）。研究對象為采用溶劑法制備的三元混合鹵素鈣鈦礦薄膜（Cs?.??MA?.??FA?.??）Pb(Br?.?I?.?)?，其中MA為甲胺基，FA為甲脒基。這些薄膜在等效太陽光照條件下被研究。研究發現，光照會導致富含碘的鈣鈦礦在表面局部區域與鈍化PbI?材料相互混合。“這項工作揭示了混合鹵素混合陽離子鈣鈦礦中相分離的新機制，并展示了通過調控電荷密度和傳輸來實現高發光薄膜的新型器件結構路徑。"

圖6– 在相同區域內，對寬帶隙峰（a-d）和窄帶隙峰（e-h）在(Cs?.??MA?.??FA?.??)Pb(Br?.?I?.?)? 鈣鈦礦薄膜上隨時間變化的原位高光譜PL圖像。樣品在白光照射下（強度為290 mW/cm2，相當于約3倍太陽光強）進行測試：t = 0時為處理前，處理過程中（10分鐘和30分鐘），以及發射強度達到穩定狀態后（180分鐘）。圖像使用405 nm激光激發（約1倍太陽光強，50 mW/cm2），所有測量均在惰性氣氛中完成。

Stranks 教授的其他研究工作也利用高光譜成像技術對鈣鈦礦材料進行了表征，包括：

· 鹵化物鈣鈦礦晶界處限制性能的納米級陷阱簇

· 鈣鈦礦疊層光伏器件的質子輻射耐受性

· 控制二維/三維鉛錫鈣鈦礦異質結的生長動力學及光電特性

這種高效的方法能夠深入表征鈣鈦礦的微觀結構，顯著有助于理解這些材料中的退化現象，從而推動其向實際應用和產業化邁進。

光致發光激發成像

在Rolston等人的研究中，采用光致發光激發（PLE）高光譜成像技術，研究了通過兩種不同工藝制備的鈣鈦礦太陽能電池的發光產率：開放式空氣快速等離子體處理（RSPP）和旋涂法。Photon etc.的可調諧激光源與科研級顯微鏡耦合，用于獲取PLE高光譜數據。圖7展示了從PLE高光譜圖像（c, e）中提取的PLE光譜（a），結果證實RSPP工藝比旋涂法具有更高的光致發光產率，且更適用于鈣鈦礦太陽能組件的快速開放環境制造。

圖7–a) RSPP和旋涂法制備的鈣鈦礦的光致發光激發（PLE）光譜；b)旋涂鈣鈦礦的光學圖像；c)對應的PLE圖像；d) RSPP鈣鈦礦的光學圖像；e)對應的PLE圖像。RSPP工藝表現出更高的發光強度，這一現象在光譜和PLE圖像中均清晰可見。

利用高光譜顯微鏡的功能：探索IMA

東隆科技總代理的IMA是一款高光譜顯微鏡，可在單一儀器中提供400 nm至1620 nm范圍內的光譜和空間信息。通過將科學級可見光（VIS）、近紅外（NIR）和/或短波紅外（SWIR）顯微鏡與Photon etc.成像濾光片相結合，可對多種材料進行廣泛的光學表征。IMA高光譜成像顯微鏡能夠在單次快照中獲取數百萬個數據點，并快速繪制光致發光（PL）、電致發光（EL）、熒光、反射率和透射率等圖像。IMA具備靈活配置為明場或暗場高光譜顯微鏡的能力。此外，基于高通量成像濾光片，IMA比傳統的逐點掃描系統更快、更高效。

光伏分析變得簡單：幾分鐘內完成PLQY和QFLS成像

隨著新型光伏材料的興起，僅依賴光致發光量子產率（PLQY）成像已不足以全面評估性能。利用IMA高光譜顯微鏡采集的數據，IMA的新軟件模塊可讓您只需點擊幾下，即可生成關鍵的光伏表征圖譜——包括光致發光量子產率（PLQY）、準費米能級分裂（QFLS）和帶隙能量（Eg），從而獲得更深入、更準確的分析結果。

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