鈣鈦礦太陽能電池的PL 及TRPL專用方案
鈣鈦礦太陽能電池簡介
鈣鈦礦太陽能電池是一種新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池，其發(fā)展極為迅速，光電轉(zhuǎn)換效率在短短的10年間從3.8%到25%，更有各個(gè)領(lǐng)域的專家推出鈣鈦礦/硅基疊層太陽能電池，鈣鈦礦/銅基薄膜疊層電池以及全無機(jī)鈣鈦礦型太陽能電池等多元化的基于“鈣鈦礦”概念的太陽能電池，有望成為下一代太陽能電池的主力產(chǎn)品。
鈣鈦礦太陽能電池的PL及TRPL表征意義
1）對(duì)于半導(dǎo)體薄膜太陽能電池，熒光壽命的表征有助于研究載流子擴(kuò)散長度/距離，而在鈣鈦礦型太陽能電池里，鈣鈦礦半導(dǎo)體層作為器件組成的重要“基石”，針對(duì)材料本身進(jìn)行TRPL甚至是顯微TRPL的表征，有利于評(píng)估其材料質(zhì)量及缺陷。
CH3NH3PbI3(Cl) 薄膜的熒光成像及取點(diǎn)PL&TRPL測(cè)量[1]
2）載流子重組過程，即自由電子-空穴發(fā)光是鈣鈦礦太陽能電池里常被研究的，也是直接關(guān)乎其性能的過程[2]。平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池除了鈣鈦礦層具有強(qiáng)大的光電性能，還需要電子傳輸層和空穴傳輸層為電子和空穴提供了獨(dú)立的輸運(yùn)通道。組成的結(jié)構(gòu)又分為n-i-p型和p-i-n型兩種，其中鈣鈦礦層分別與電子傳輸層和空穴傳輸層形成兩個(gè)界面, 在這兩個(gè)界面上實(shí)現(xiàn)電子和空穴的快速分離。通過PL相對(duì)強(qiáng)度（或是量子產(chǎn)率）以及TRPL的衰減時(shí)間變化，可以佐證通過替換電子傳輸層、空穴傳輸層材料，電子空穴被快速抽取，IPCE得以改良的結(jié)果。
用PL和TRPL反饋CH3NH3PbI3與不同材料傳輸層的相互作用[3]
“量體裁衣”的PL&TRPL專用方案
鈣鈦礦型太陽能電池在藍(lán)綠光波段都有較好的吸收，材料帶隙主要集中在1.6eV附近，搭配藍(lán)光激光器作為PL激發(fā)源即可輕松實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)PL采集。
另外鈣鈦礦太陽能電池的熒光壽命衰減尺度主要覆蓋亞納秒到數(shù)微秒，以皮秒激光器作為激發(fā)源，結(jié)合TCSPC（時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)）的時(shí)域測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)光譜范圍覆蓋470-870nm，時(shí)間尺度覆蓋100ps-10μs的TRPL測(cè)量。
方案特色
- 445nm連續(xù)激光器，450nm皮秒脈沖激光器作為激發(fā)源，保證激發(fā)效率的同時(shí)兼顧較寬波段的PL測(cè)量范圍；
- 320mm焦距影像校正光譜儀配置低噪聲制冷型光電倍增管，毫無保留的科研級(jí)性能；
- 高靈敏度TCSPC測(cè)量方法，納秒微秒壽命尺度的經(jīng)典選擇；
- 熒光壽命衰減曲線最高支持四階指數(shù)擬合；
- 低溫光譜模塊、顯微光譜模塊可選；
主機(jī)
鈣鈦礦電池專用PL&TRPL測(cè)試系統(tǒng)
常見問與答
問：Hi卓立，我想請(qǐng)問我的體系有些帶隙寬一些，能否選擇波長短一些的激光器，價(jià)格會(huì)不會(huì)貴很多？
答：老師您好，目前我們選擇的450nm左右這個(gè)激發(fā)波長是符合主流鈣鈦礦電池的PL和TRPL測(cè)量，如果您需要選擇更短波長的還有例如375nm和405nm可選，尺寸一致直接可以用，完全沒有問題，405nm與450nm價(jià)格相當(dāng)，375nm會(huì)稍微貴一些喔。
問：我看你們上面還推薦了顯微PL系統(tǒng)，跟你這次主推的系統(tǒng)有什么差別？我到底該如何選呢？
答：老師您好，您看得很仔細(xì)！顯微PL通過物鏡聚焦，激發(fā)效率更高，收光角大，所以獲取信號(hào)的能力遠(yuǎn)高于宏光路PL系統(tǒng)，還可以做微區(qū)PL，PL mapping，性能優(yōu)，價(jià)格高！是眾多光電半導(dǎo)體材料如三五族半導(dǎo)體、二維材料等的PL測(cè)量的好選擇。
但是鈣鈦礦電池具有極優(yōu)的光電效應(yīng)，毫不夸張的說，熒光信號(hào)很強(qiáng)，舉個(gè)例子，現(xiàn)在鈣鈦礦電池效率做到20%左右也是中上水平了，我們此次主推宏光路PL系統(tǒng)是完全可以滿足測(cè)量的。事實(shí)上我們很難去量化PL信號(hào)，所以我們會(huì)以電池轉(zhuǎn)換效率做參考，另外也可以做些樣品驗(yàn)證?？偠灾@微PL肯定是更好！
使用卓立漢光設(shè)備測(cè)試的數(shù)據(jù)
CsPbBr3的變溫PL及變溫TRPL測(cè)量
V2O5 摻雜劑補(bǔ)充于空穴傳輸材料Spiro-Omitted，調(diào)節(jié)空穴傳輸層的能級(jí)并有效地提升空穴傳輸性能[4]
參考文獻(xiàn)
[1] Dane W , disquieted, Sarah M , et al. Solar cells. Impact of microstructure on local carrier lifetime in perovskite solar cells.[J]. Science (New York, N.Y.), 2015.
[2] 王福芝,譚占鰲,戴松元,李永舫.平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽電池研究進(jìn)展,物理學(xué)報(bào),2015, (3).
[3] You, J., Meng, L., Song, TB. et al. Improved air stability of perovskite solar cells via solution-processed metal oxide transport layers. Nature Nanotech,2016.
[4] High performance and stable perovskite solar cells using vanadic oxide as a dopant for spiro-OMeTAD[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(21):13256-13264.
[5] Xu Z , Wu J , Wu T , et al. Tuning the Fermi Level of TiO2 Electron Transport Layer through Europium Doping for Highly Efficient Perovskite Solar Cells[J]. Energy Technology, 2017.
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