近年來，隨著有機金屬鈣鈦礦太陽能電池的快速發(fā)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(zhuǎn)折點。鈣鈦礦材料具有高載流子遷移率、強吸收能力和可調(diào)帶隙等優(yōu)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(shù)規(guī)模化并實現(xiàn)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(zhì)至關(guān)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(guān)于鈣鈦礦優(yōu)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(jié)構(gòu)和物理特性。全局高光譜成像結(jié)合了光譜學與成像技術(shù)：每張圖像在窄波段范圍內(nèi)采集，可在大面積區(qū)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(fā)光（PL）、電致發(fā)光（EL）、透射率和反射率數(shù)據(jù)。

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(jié)合使用時，還可進一步提取光電性能參數(shù)：

· 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(fā)光激發(fā)（PLE）測量。PLE是一種光譜技術(shù)，通過改變激發(fā)波長并在固定寬帶發(fā)射范圍內(nèi)監(jiān)測發(fā)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(jié)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(diào)諧激光源（TLS）由兩個模塊組成：超連續(xù)光源（寬帶光源）和激光線可調(diào)諧濾波器（LLTF -帶通濾波器）。當與標準科研級顯微鏡結(jié)合使用時，TLS可將顯微鏡轉(zhuǎn)變?yōu)楦吖庾VPLE系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(nèi)連續(xù)調(diào)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(tǒng)來優(yōu)化其材料制備和器件制造工藝。

鈣鈦礦器件——光致發(fā)光與電致發(fā)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(fā)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(fā)光高光譜數(shù)據(jù)（激發(fā)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(guān)，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(jié)果以顏色標尺疊加顯示，便于視覺觀察。

鈣鈦礦晶體——光致發(fā)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(nèi)，系統(tǒng)在670×900μm2 的區(qū)域內(nèi)采集了超過550–900 nm光譜范圍內(nèi)的百萬條光致發(fā)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(xiàn)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(shù)據(jù)中提取出的兩條PL光譜（顏色對應圖b中的區(qū)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(fā)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(fā)樣品，光譜數(shù)據(jù)在不到一分鐘內(nèi)以5 nm步長從670 nm到880 nm范圍內(nèi)采集完成。

圖3–a)在790 nm處提取的PL圖像，b)從不同區(qū)域（見圖中對應標記點）提取的PL光譜。數(shù)據(jù)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(fā)樣品。圖4顯示了在2 cm×2 cm視場范圍內(nèi)獲得的光致發(fā)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(yōu)化制造工藝。

圖4–a)在790 nm處提取的PL圖像，b)從不同區(qū)域（見對應標記點）提取的PL光譜。數(shù)據(jù)由GRAND-EOS系統(tǒng)在0.1倍太陽光強等效功率下采集。

光致發(fā)光激發(fā)成像

最后，使用Photon etc.的可調(diào)諧激光源作為激發(fā)光源，對同一樣品進行了光致發(fā)光激發(fā)（PLE）和反射率成像，并采用Photon etc.的IMA系統(tǒng)進行PL成像，激發(fā)光源為532 nm激光（見圖5）。PLE光譜表明，PL發(fā)射強度依賴于激發(fā)光子的能量，在2.03 eV激發(fā)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(jié)合可用于識別鈣鈦礦晶體中PL發(fā)射的來源。最后，將PL和PLE測量結(jié)果與Franck-Condon模型相結(jié)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(fā)光激發(fā)（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(qū)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(fā)光成像

劍橋大學的Sam Stranks教授正在通過光致發(fā)光（PL）成像研究混合鹵素鉛鈣鈦礦的基本性質(zhì)（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，F(xiàn)A為甲脒基。這些薄膜在等效太陽光照條件下被研究。研究發(fā)現(xiàn)，光照會導致富含碘的鈣鈦礦在表面局部區(qū)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(diào)控電荷密度和傳輸來實現(xiàn)高發(fā)光薄膜的新型器件結(jié)構(gòu)路徑。"

圖6– 在相同區(qū)域內(nèi)，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(fā)射強度達到穩(wěn)定狀態(tài)后（180分鐘）。圖像使用405 nm激光激發(fā)（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(shù)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(zhì)子輻射耐受性

· 控制二維/三維鉛錫鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)，顯著有助于理解這些材料中的退化現(xiàn)象，從而推動其向?qū)嶋H應用和產(chǎn)業(yè)化邁進。

光致發(fā)光激發(fā)成像

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

圖7–a) RSPP和旋涂法制備的鈣鈦礦的光致發(fā)光激發(fā)（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(xiàn)出更高的發(fā)光強度，這一現(xiàn)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(nèi)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(jié)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(shù)百萬個數(shù)據(jù)點，并快速繪制光致發(fā)光（PL）、電致發(fā)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(tǒng)的逐點掃描系統(tǒng)更快、更高效。

光伏分析變得簡單：幾分鐘內(nèi)完成PLQY和QFLS成像

隨著新型光伏材料的興起，僅依賴光致發(fā)光量子產(chǎn)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(shù)據(jù)，IMA的新軟件模塊可讓您只需點擊幾下，即可生成關(guān)鍵的光伏表征圖譜——包括光致發(fā)光量子產(chǎn)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(jié)果。

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