高光譜成像在鈣鈦礦光譜和空間分析的應用

正文

高光譜成像在鈣鈦礦光譜和空間分析的應用

一跪呈、鈣鈦礦器件

光致發(fā)光和電致發(fā)光成像

瓦倫西亞大學的Henk Bolink博士與IPVF（前身為IRDEP-法國光伏能源研究與發(fā)展研究所）的研究人員合作段磨，研究了具有不同電子傳輸層（PCBM和C₆₀）的混合有機-無機甲基碘化鉛鈣鈦礦（CH₃NH₃PbI₃）太陽能電池的性能。用IMA獲得的發(fā)光高光譜數(shù)據(jù)有助于識別此類器件中的嚴重不均勻性（圖1）耗绿。這些空間不均勻性與載體提取問題有關(guān)苹支，導致細胞的填充因子有限误阻。

圖1根據(jù)在1.15V和1.16V施加偏置下拍攝的EL高光譜圖像計算的當前傳輸效率fT圖债蜜。對于使用PCBM（a晴埂，c，器件A）或C60（b寻定，d儒洛，器件B）作為電子傳輸層（ETL）的鈣鈦礦太陽能電池，在微尺度（頂部）和整個器件級別（底部）進行fT mapping狼速。信號分布的插值已與色標疊加琅锻，作為眼睛的指南 ^[1]。

二向胡、鈣鈦礦晶體

光致發(fā)光成像

Photon與David Cooke教授(McGill University)和Mercouri Kanatzidis教授(Northwestern University)合作恼蓬，研究在空氣中老化的鈣鈦礦晶體的成分。在幾分鐘內(nèi)捷枯，在550*900μm的區(qū)域內(nèi)在670-900nm光譜范圍內(nèi)采集了萬個PL光譜2（圖2）滚秩。光譜特征的變化和強度的變化歸因于晶界、缺陷和相偏析淮捆。

圖2、(a)在770nm處提取的PL圖像;(b)PL中心波長的假彩色圖和(c)從高光譜數(shù)據(jù)中提取的兩個PL光譜–參見相應的顏色攀痊。

與Pablo Docampo教授研究小組(New Castle University)合作研究了大型鈣鈦礦晶體桐腌。一個好的太陽能電池需要盡可能發(fā)光[2]苟径。PL強度的映射（圖3）提供了一種快速評估非輻射損失并獲得材料效率輸入的方法案站。為了獲得這樣的圖譜，使用532nm激光以10個太陽的等效功率激發(fā)樣品棘街。在不到一分鐘的時間內(nèi)以 670nm波長從880nm采集到5nm的數(shù)據(jù)蟆盐。

圖3、在790nm處提取的PL圖像（a）和從不同區(qū)域提取的PL光譜（b）遭殉。

還使用Photon的GRAND-EOS平臺進行了大規(guī)模測量石挂。使用532nm激光以0，1等效功率激發(fā)樣品险污。圖4顯示了在2cm*2cm視場上獲得的PL圖痹愚。GRAND-EOS允許在更大的層面上捕獲光學圖像，以幫助改進制造過程

圖4蛔糯、(a)在790nm處提取的PL圖像拯腮，以及(b)從不同區(qū)域提取的PL光譜（參見相應的靶標）。使用GRAND-EOS系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)蚁飒。

光致發(fā)光激發(fā)成像

zui后动壤，使用Photon的可調(diào)諧激光源作為激發(fā)，用光致發(fā)光激發(fā)（PLE）和反射成像對相同的樣品進行研究淮逻，并使用光子等的IMA進行PL成像狼电，使用532nm激光激發(fā)源（見圖5）蜒灰。PLE光譜表明肩碟，PL發(fā)射的強度取決于激發(fā)光子的能量强窖，在2.03eV激發(fā)時達到zui大強度。獲取空間信息還能為了解樣品中是否存在缺陷提供寶貴的信息削祈。研究還表明翅溺，將PLE與拉曼光譜結(jié)合起來，有助于確定包晶體晶體中PL發(fā)射的來源髓抑。zui后咙崎，將PL和PLE測量與Frank-Condon 模型相結(jié)合，可以深入了解電子與聲子的相互作用^[3]吨拍。

圖5褪猛、(a)在鈣鈦礦晶體上以2.33eV提取的光致發(fā)光激發(fā)（PLE）高光譜圖像羹饰；(b)在2.33eV下提取的反射率高光譜圖像伊滋，(c)從相同兩個區(qū)域提取的PLE（橙色填充）、反射率和PL（藍色填充）光譜（參見a和b上的相應目標）队秩。

三笑旺、鈣鈦礦薄膜

光致發(fā)光成像

Sam Stranks 教授（劍橋大學）正在通過聚光成像技術(shù)研究混合鹵化物鉛鈣鈦礦的基本特性（見圖6）^[4]。在太陽等效光照下馍资，研究了溶液加工的三重陽離子混合鹵化物(Cs_0.06MA_0.15FA_0.79)Pb(Br_0.4I_0.6)₃鈣鈦礦薄膜（MA：甲基銨筒主，F(xiàn)A：甲酰胺）。研究發(fā)現(xiàn)鸟蟹，光照導致富碘鈣鈦礦的局部表面位點與鈍化PbI₂材料混合乌妙。這項研究揭示了對混合鹵化物混合陽離子包晶石相分離的新見解，以及通過控制新型器件結(jié)構(gòu)中的電荷密度和轉(zhuǎn)移實現(xiàn)高發(fā)光薄膜的途徑藤韵。

圖6、同一區(qū)域上寬帶隙峰(a-d)和低帶隙峰(e-h)的原位高光譜PL圖(Cs_0.06MA_0.15FA_0.79)Pb(Br_0.4I_0.6)₃鈣鈦礦薄膜在白光照明下隨時間的變化锦针，強度為290mW/cm²用于處理前(t=0)，處理期間(10和30分鐘)以及一旦發(fā)射強度達到穩(wěn)定發(fā)射(180分鐘)的樣品置蜀。mapping是在405nm激光激發(fā)下拍攝的奈搜，激發(fā)強度為≈50mW/cm²，并且所有測量均在大氣環(huán)境中進行^[4]馋吗。

光致發(fā)光激發(fā)成像

在Rolston等人的這項工作中^[5]，使用PLE高光譜成像技術(shù)研究了采用兩種不同工藝制造的過氧化物太陽能電池的發(fā)光率：露天快速噴涂等離子處理(RSPP)和旋涂秋秤。將Photon公司生產(chǎn)的可調(diào)激光源與科研顯微鏡耦合宏粤，可獲得PLE高光譜數(shù)據(jù)脚翘。圖7顯示了從PLE高光譜圖像（c、e）中提取的PLE光譜（a）绍哎，證實RSPP技術(shù)的光致發(fā)光產(chǎn)率高于旋涂技術(shù)来农，而且更適合于在露天條件下快速制造過氧化物太陽能模塊。

圖7崇堰、(a)RSPP和旋涂鈣鈦礦的光致發(fā)光激發(fā)（PLE）光譜沃于；(b)光學圖像和；(c)旋涂鈣鈦礦的相應PLE圖與海诲；(d)光學圖像和繁莹；(e)RSPP鈣鈦礦的相應PLE圖。RSPP的較高發(fā)光在光譜和PLE圖中均可觀察到^[5]特幔。

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相關(guān)文獻：

[1] El-Hajje, G., Momblona, C., Gil-Escrig, L., ávila, J., Guillemot, T., Guillemoles, J.-F., Sessolo, M., Bolink, H. J., & Lombez, L. (2016). Quantification of spatial inhomogeneity in perovskite solar cells by hyperspectral luminescence imaging. Energy & Environmental Science, 9(7), 2286–2294.

[2] Miller, O. D., Yablonovitch, E., & Kurtz, S. R. (2012). Strong Internal and External Luminescence as Solar Cells Approach the Shockley–Queisser Limit. IEEE Journal of Photovoltaics, 2(3), 303–311.

[3] Zelewski, S. J., Urban, J. M., Surrente, A., Maude, D. K., Kuc, A., Schade, L., Johnson, R. D., Dollmann, M., Nayak, P. K., Snaith, H. J., Radaelli, P.,Kudrawiec, R., Nicholas, R. J., Plochocka, P., & Baranowski, M. (2019). Revealing the nature of photoluminescence emission in the metal-halide double perovskite Cs2AgBiBr6. Journal of Materials Chemistry C, 7(27), 8350–8356.

[4] Andaji‐Garmaroudi, Z., Abdi‐Jalebi, M., Guo, D., Macpherson, S., Sadhanala, A., Tennyson, E. M., Ruggeri, E., Anaya, M., Galkowski, K., Shivanna, R., Lohmann, K., Frohna, K., Mackowski, S., Savenije, T. J., Friend, R. H., & Stranks, S. D. (2019). A Highly Emissive Surface Layer in Mixed‐Halide Multication Perovskites. Advanced Materials, 31(42), 1902374.

[5] Rolston, N., Scheideler, W. J., Flick, A. C., Chen, J. P., Elmaraghi, H., Sleugh, A., Zhao, O., Woodhouse, M., & Dauskardt, R. H. (2020). Rapid Open-Air Fabrication of Perovskite Solar Modules. Joule.

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