引言
由于钙钛矿具有高载流子迁移率、大的吸收系数、可调带隙和长载流子扩散长度等特性,卤化物钙钛矿太阳能电池成为目前研究热点。如何有效地将电荷载流子从器件中提取出来是太阳能电池设计中的挑战之一。为了帮助提取电荷,通常会将电子和空穴提取层合并到器件中。
图 1 (a) 使用 VACNTs 作为空穴提取层的太阳能电池器件堆结构和 (b) 在 ITO 基板上生长的 VACNTs 的 SEM 图像。图片改编自 Ferguson 等人1
实验设置
图2 RMS1000 共焦显微拉曼光谱仪
光谱光致发光成像
为了观察空穴从钙钛矿转移到 VACNT中,使用 PL 强度成像对 ITO/VACNT/钙钛矿样品的表面进行成像。要成像的 500 μm x 500 μm 区域的暗场图像如图 3a 所示。可以在钙钛矿层下方看到 VACNT 阵列。使用 532 nm 激光进行激发获得 100×100 点(5 μm 分辨率)PL 成像图,并使用 600 gr/mm 衍射光栅和 RMS1000 的 CCD 检测器记录每个点的 PL 光谱。计算每个 PL 光谱的积分强度以创建图 3b 中所示的 PL 强度图。
图3 使用(a)宽场暗场照明,(b)共焦 PL 强度成像的 ITO/VACANT/钙钛矿表面图像。PL 图中点 1 和 2 处的提取光谱如图 (c) 所示。
寿命光致发光成像
PL 强度图提供了空穴转移到 VACNT 的有力证据,然而,这并不是 PL 强度降低的唯一潜在原因。例如,沉积在 VACNTs 顶部的较薄钙钛矿层也会出现类似的响应。RMS1000 可以配备脉冲激光源和时间相关单光子计数 (TCSPC) 电子器件,用于 PL 寿命成像。这为光谱 PL 成像提供了补充信息,并用作确认空穴转移发生的测试。
PL 寿命图显示,当 VACNTs 位于钙钛矿下方时,钙钛矿的平均 PL 寿命从~100 ns 降低到~60 ns。图 4b 显示了在有和没有 VACNTs 的位置处的 PL 衰减示例,突出了所需拟合的多指数性质。实验结果为VACNT 平均寿命的减少提供了支持证据,即空穴转移到 VACNTs 确实正在发生,因为空穴转移是一种额外的快速减少粒子数的途径,会缩短 PL 寿命。
图4 钙钛矿样品的 PL 寿命成像。(a) 钙钛矿表面的平均 PL 寿命图和 (b) 提取的 PL 衰减(点)和三分量指数拟合(实线)
结论
使用 RMS1000 共焦显微拉曼光谱仪研究了钙钛矿太阳能电池 VACNT 空穴提取层的电荷提取特性。RMS1000 可以获取半导体样品的光谱图和寿命图,并且使用两种 PL 成像模式的组合来确认空穴转移到 VACNTs。RMS1000 共焦显微拉曼光谱仪是一种用于在钙钛矿太阳能电池微观尺度上的可视化电荷提取的理想工具,以持续优化电池性能。
致谢
我们感谢萨里大学纳米电子学组的 Victoria Ferguson 博士提供本应用文章中使用的钙钛矿样品。
1. Ferguson, B. Li, M. O. Tas, T. Webb, M. T. Sajjad, S. A. J. Thomson, Z. Wu, Y. Shen, G. Shao, J. V. Anguita, S. R. P. Silva, W. Zhang, Direct Growth of Vertically Aligned Carbon Nanotubes onto Transparent Conductive Oxide Glass for Enhanced Charge Extraction in Perovskite Solar Cells, Adv. Mater. Interfaces 7 2020, 2001121