钙钛矿太阳能电池的显微成像

北京欧波同光学技术有限公司

2024/09/20 18:48

太阳能在能源生产转型中扮演着重要角色，为了使太阳能更具有竞争力，降低制造成本至关重要。钙钛矿材料作为现有硅和混合半导体材料的补充而出现，钙钛矿的结构组成为ABX₃，在二十世纪20年代由 Goldsmith首次提出，理想的钙钛矿结构具有立方对称性，具有优良的光电特性，如高吸收系数、可调带隙和长电荷载流子寿命等。尽管具有如此优良的光电特性，但仍需要更深入地了解钙钛矿材料的降解机制，以便使PSCs适用于户外应用和商业化。

扫描电镜应用广泛

成像和显微表征技术使研究人员能够获得纳米和微米尺度与其化学和电子特性相关的特征，这反过来体现了PSC的性能。通过显微表征技术也有助于解释钙钛矿材料的性质，包括化学和电学性质以及它们与太阳能电池性能的关系。

电子显微镜是PSC表征中最广泛使用的表征技术之一。主要用于材料的形态表征，并且在了解 PSC的高光电转化效率方面发挥着重要作用。电镜技术最常见的用途是分析和改善器件架构，例如，测量层的厚度和表面覆盖率。其中，扫描电镜(SEM)是一种用途广泛的强大工具，可以获得薄膜的表面图像，在PSC的性能提升中发挥了重要作用。可以测量的主要参数有如下几种：表面覆盖率、介孔层填充、晶体尺寸和层厚度测量，这些都对太阳能电池的性能至关重要。

二次电子和背散射电子信号

为了对薄膜表面进行成像，包括不同层（the electron and hole selective layers ）以及钙钛矿薄膜层，通常不需要表面金属化，因为这些层通常沉积在导电衬底上，如氟掺杂氧化锡(FTO)。但前提是SEM拍摄时所选取的电压不能过高，否则会掩盖薄膜表面的细节，这对电镜的光路系统有着非常严格的要求。

赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo 2兼具低电压高质量成像和多功能分析性能于一体，采用双引擎技术，超低电压下可直接分析钙钛矿薄膜，且无需做金属化处理。其中，主要用到的是二次电子和背散射电子信号。

二次电子SE是由非弹性碰撞产生的，它激发了材料中的电子，使它们有足够的能量逃逸。但是这些电子只能从几纳米的层中离开样品。因此，使用低电压可以更好的获得高分辨的二次电子图像；背散射电子BSE是来自电子束的电子，通过与样品的相互作用被弹性反射。BSE可以探测比SE更深的深度，因为它们具有更高的能量，并且在离开样品的过程中受散射过程的影响较小。当然由于这个原因，BSE信号在高倍率下通常比 SE的空间分辨率要低。

图1：钙钛矿层的SEM图像

扫描电镜是了解不同溶液和沉积技术对钙钛矿层表面改善的重要工具。通过分析SEM显微照片，可以优化钙钛矿的制备方法，从而大大提高器件的性能。如图1所示的钙钛矿层的SEM图像，比较了常规自旋镀膜法制备的MAPbI₃层和在自旋过程中使用氯苯诱导快速结晶制备的MAPbI₃层。结果显示常规方法制备的钙钛矿层内形成了较大的孔洞；但是通过溶剂诱导法则形成了完全覆盖的均匀层。

BSE模式获取截面结构

除了观察表面形貌外，PSC的截面结构，对于材料制备的重现性也很重要。使用BSE模式来获取器件横截面的图像，如图2所示。通过材料对比的变化，孔隙可以清楚地识别出来。较暗的区域不包含钙钛矿中的Pb，因为钙钛矿的原子序数比Ti大，所以背散射电子携带的能量更多。同样，也可以很容易地识别出空洞传输材料层(HTM)和Au层。

图2：PSC的截面结构

总之，扫描电镜是一种强大的微观表征技术，但同时针对不同的材料和研究选择适当的电镜型号也是非常重要的。比如，卤化铅钙钛矿(LHPs)是一种软材料，很容易被电子束损坏，诱导形成伪像，使微观结构表征变得困难。因此，需要结合低电压和低电子剂量来获得理想的结果。

图3： Apreo 2场发射扫描电镜拍摄的钙钛矿截面

赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo 2，正是这样一台具备优异的低电压成像性能的扫描电镜，是分析钙钛矿材料显微结构的利器！

赛默飞场发射扫描电镜Apreo 2

参考资料：

[1] Hidalgo J , Castro-Mendez AF , Correa-Baena J P .Imaging and Mapping Characterization Tools for Perovskite Solar Cells[J].Advanced Energy Materials, 2019, 9(30):1900444.

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