鈣鈦礦太陽能電池的顯微成像

掃描電鏡應(yīng)用廣泛

    成像和顯微表征技術(shù)使研究人員能夠獲得納米和微米尺度與其化學(xué)和電子特性相關(guān)的特征， 這反過來體現(xiàn)了PSC的性能。通過顯微表征技術(shù)也有助于解釋鈣鈦礦材料的性質(zhì)，包括化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)以及它們與太陽能電池性能的關(guān)系。

    電子顯微鏡是PSC表征中廣泛使用的表征技術(shù)之一。主要用于材料的形態(tài)表征，并且在了解 PSC的高光電轉(zhuǎn)化效率方面發(fā)揮著重要作用。電鏡技術(shù)常見的用途是分析和改善器件架構(gòu)，例如，測量 層的厚度和表面覆蓋率。其中，掃描電鏡(SEM)是一種用途廣泛的強(qiáng)大工具，可以獲得薄膜的表面圖像，在PSC的性能提升中發(fā)揮了重要作用。可以測量的主要參數(shù)有如下幾種：表面覆蓋率、介孔層填充、 晶體尺寸和層厚度測量，這些都對太陽能電池的性能至關(guān)重要。

二次電子和背散射電子信號

      為了對薄膜表面進(jìn)行成像，包括不同層（the electron and hole selective layers ）以及鈣鈦礦薄膜層，通常不需要表面金屬化，因?yàn)檫@些層通常沉積在導(dǎo)電襯底上，如氟摻雜氧化錫(FTO)。但前提是SEM拍攝時所選取的電壓不能過高，否則會掩蓋薄膜表面的細(xì)節(jié)，這對電鏡的光路系統(tǒng)有著非常嚴(yán)格的要求。

     賽默飛超高分辨場發(fā)射掃描電鏡Apreo 2兼具低電壓高質(zhì)量成像和多功能分析性能于一體，采用雙引擎技術(shù)，超低電壓下可直接分析鈣鈦礦薄膜，且無需做金屬化處理。其中，主要用到的是二次電子和背散射電子信號。

     二次電子SE是由非彈性碰撞產(chǎn)生的，它激發(fā)了材料中的電子，使它們有足夠的能量逃逸。但是這些電子只能從幾納米的層中離開樣品。因此，使用低電壓可以更好的獲得高分辨的二次電子圖像；背散射電子BSE是來自電子束的電子，通過與樣品的相互作用被彈性反射。BSE可以探測比SE更深的深度，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩哪芰浚⑶以陔x開樣品的過程中受散射過程的影響較小。當(dāng)然由于這個原因，BSE信號在高倍率下通常比 SE的空間分辨率要低。

圖1： 鈣鈦礦層的SEM圖像

       掃描電鏡是了解不同溶液和沉積技術(shù)對鈣鈦礦層表面改善的重要工具。通過分析SEM顯微照片，可以優(yōu)化鈣鈦礦的制備方法，從而大大提高器件的性能。如圖1所示的鈣鈦礦層的SEM圖像，比較了常規(guī)自旋鍍膜法制備的MAPbI₃層和在自旋過程中使用氯苯誘導(dǎo)快速結(jié)晶制備的MAPbI₃層。結(jié)果顯示常規(guī)方法制備的鈣鈦礦層內(nèi)形成了較大的孔洞；但是通過溶劑誘導(dǎo)法則形成了覆蓋的均勻?qū)印?/span>

BSE模式獲取截面結(jié)構(gòu)

     除了觀察表面形貌外，PSC的截面結(jié)構(gòu)，對于材料制備的重現(xiàn)性也很重要。使用BSE模式來獲取器件橫截面的圖像，如圖2所示。通過材料對比的變化，孔隙可以清楚地識別出來。較暗的區(qū)域不包含鈣鈦礦中的Pb，因?yàn)殁}鈦礦的原子序數(shù)比Ti大，所以背散射電子攜帶的能量更多。同樣，也可以很容易地識別出空洞傳輸材料層(HTM)和Au層。

圖2：PSC的截面結(jié)構(gòu)

     總之，掃描電鏡是一種強(qiáng)大的微觀表征技術(shù)，但同時針對不同的材料和研究選擇適當(dāng)?shù)碾婄R型號也是非常重要的。比如，鹵化鉛鈣鈦礦(LHPs)是一種軟材料，很容易被電子束損壞，誘導(dǎo)形成偽像，使微觀結(jié)構(gòu)表征變得困難。因此，需要結(jié)合低電壓和低電子劑量來獲得理想的結(jié)果。

圖3： Apreo 2場發(fā)射掃描電鏡拍攝的鈣鈦礦截面

       賽默飛超高分辨場發(fā)射掃描電鏡Apreo 2，正是這樣一臺具備優(yōu)異的低電壓成像性能的掃描電鏡，是分析鈣鈦礦材料顯微結(jié)構(gòu)的利器！

賽默飛場發(fā)射掃描電鏡Apreo 2

參考資料：

[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.