钙钛矿薄膜及器件表征技术及原理介绍
钙钛矿薄膜理化性质表征手段及原理X射线衍射（XRD）： X射线以不同的入射角度从钙钛矿晶体表面入射，晶体可以作为X光的空间衍射光栅。当入射角θ和晶面间距d满足布拉格晶体衍射方程2dsinθ=nλ时，会发生相干衍射，衍射图谱蕴含着晶体结构信息。本文中XRD用于表征钙钛矿薄膜的晶体结构和结晶特性，从XRD图谱中我们可以得到衍射峰的位置、峰强及半峰宽。扫描电子显微镜（SEM）： 在本文中SEM用于测试钙钛矿薄膜表面形貌和微观结构，在测试时为了增加样品的导电性需要对钙钛矿薄膜表面作喷金处理。原子力显微镜（AFM）： 相较于SEM，AFM可以提供三维表面图，并且不需要对样品表面做任何特殊处理，而且在常压或液态环境下都可以工作。在本文中，AFM测试主要用于表征钙钛矿薄膜表面粗糙度和形貌。紫外可见吸收光谱（UV-Vis）： 紫外可见吸收光谱是物质的分子吸收紫外-可见光区的电磁波照射时，电子跃迁所产生的吸收光谱。不同物质对不同波长的光吸收具有选择性，其满足Beer-Lambert定律。同时，根据UV测试结果结合Tauc模型可以计算得到半导体材料的光学带隙。本文中UV-Vis 测试用来测试钙钛矿薄膜在不同波长范围内的吸光强度从而表征其吸光能力，测试波长范围为300 nm~850 nm。X射线光电子能谱分析（XPS）： XPS测试可以用于定性分析或者半定量分析，一般从XPS图谱的峰位和峰形可以获得样品表面化学元素成分、化学态和分子结构等信息。本文中XPS测试用于表征不同条件处理下的宽带隙钙钛矿薄膜中Pb元素和卤素成分与结合能的变化，从而对不同物质之间的相互作用进行探究。紫外光电子能谱（UPS）： UPS测试用于分析半导体薄膜材料表面1~2 nm的功函数、价带谱，并获取价带/HOMO位置及能级排列图。本文中UPS测试用于获取宽带隙钙钛矿薄膜在经过处理后能带结构的变化，光源为He-Iα射线，光子能量为21.22 eV。从测试曲线我们可以得到二次电子截止边和费米边，进一步可以得到薄膜的功函数和价带顶。光致发光光谱（PL）： 半导体材料在受到激光激发时，跃迁后的电子-空穴对复合以光的形式释放多余能量被称为光致发光。本文中利用PL光谱表征钙钛矿在特定波长激发下的辐射发光过程，表征载流子在界面处的输运速率或者非辐射复合的抑制程度。通过PL峰的位置可以大概估算钙钛矿薄膜的光学带隙。时间分辨光致发光光谱（TRPL）： TRPL测试当激光激发停止后，宽带隙钙钛矿薄膜中跃迁后的电子辐射发光逐渐衰减至激发时最大强度的1/e时所需的时间。本文中TRPL用于表征钙钛矿薄膜的载流子寿命，对测试的曲线进行双指数衰减拟合，我们可以得到平均载流子寿命和薄膜缺陷态密度相关的信息。开尔文探针力显微镜（KPFM）： KPFM是一种基于AFM的技术，通过探测静电力而对AFM探针与样品表面之间的接触电势差进行量化分析。测试结果可以直观表现钙钛矿薄膜表面的电势分布。 对于正型n-i-p钙钛矿电池而言，更大的表面电势有利于其内建电场（Vbi）的增强和空穴的提取。 钙钛矿器件电学测试方法及原理 伏安特性测试： 钙钛矿电池的伏安特性，即J-V曲线，可以表征钙钛矿器件最为基础和重要的电学特性。为保证实验结果的可靠性，我们采用3A级XES-70S1太阳光模拟器，并在使用之前用标准硅电池进行光照功率的标定，确保入射光的功率为100 mW/cm2。测试时可采用四线法或两线法，将钙钛矿电池和Keithley2450源表相连，通过源表对阴阳极施加线性偏压来测量其电流密度响应。测试时需要确定电压的扫描范围，扫描步长，扫描方向，以及钙钛矿器件的有效面积。测试所得的J-V曲线可以获得器件的JSC，VOC，FF，PCE四个参数，用于反映其光电性能的优劣。入射单色光子-电子转化效率（IPCE）测试： IPCE是指在特定激光源的照射下，单位时间内外电路产生的电子Ne与入射光子Np的比率。在测试之前，我们可以根据钙钛矿的光学吸收边设置合理的波长扫描范围，测试时光斑对准器件的有效面积。根据不同波长下Ne与Np的比值，软件会得到对应波段下的IPCE值，即外量子效率。EQE可以衡量不同波长下的光谱对钙钛矿短路电流的贡献程度，是器件性能表征中十分重要的参数。将IPCE的测试结果在有效吸收范围内进行积分可以得到积分电流值。在理论上此值应该等于钙钛矿的短路电流密度，但在实际测试过程中，IPCE的积分电流密度往往小于J-V测得的JSC值。瞬态光电流测试（TPC）： 瞬态光电流衰减测试被用于表征钙钛矿电池内部的载流子提取和传输能力。在示波器中调整外电路中调整接入的电阻为50 Ω，此时电路模拟短路状态。钙钛矿器件在波长为532 nm的激光激发下会产生瞬态光电流，此电流会随着时间不断衰减，衰减后的信号经过放大在示波器上显示出来。由于外接电阻的阻值很小，因此光生电流的衰减主要取决于钙钛矿薄膜各功能层对于光生电荷的输运和转移，衰减的时间越快，证明器件提取载流子的能力越强。瞬态光电压衰减（TPV）： TPV的测试方法和TPC十分相似，所不同的是在瞬态光电压测试中，器件外电路接入了阻值为1 MΩ的大电阻，此时电路被视为断路状态。当器件被405 nm的激光激发时，在示波器上会显示经过放大的瞬态光电压随时间的衰减信号。因此，器件的光生电压的衰减主要取决于钙钛矿器件内部和界面处载流子的非辐射复合。复合寿命越长，证明器件内部的缺陷态密度越低，载流子的复合受到了有效抑制。莫特-肖特基（M-S）测试： M-S测试可以获得器件的C-V特性，是表征钙钛矿表面和界面的有效手段。使用电化学工作站测试器件的电容C随电压V的变化情况可以获得器件的内建电势（Vbi）。内建电势越大，证明器件内部耗尽区更宽，有利于光生激子的解离和电极处电荷的收集，避免载流子的在界面处被陷阱捕获。Vbi也可在一定程度上反应器件VOC的改善和薄膜的缺陷态情况。测试区的线性区域还可用来计算界面处的载流子密度，反应器件中的电荷转移。电化学阻抗（EIS）测试： 电化学阻抗现已发展成为研究钙钛矿内部和界面处载流子的传输和复合情况的重要手段。将器件接入电化学工作站，并在测试时设置一定的频率范围，然后对器件施加和开路电压相近的直流偏压和小振幅的交流信号，以阻抗实部为横坐标，阻抗虚部为纵坐标，基于对钙钛矿电池建立合适的等效电路模型，最终我们可以得到Nyquist图，其曲线表现为在上述坐标系下第一象限的半圆形。经过拟合，我们可以得到器件的传输电阻Rs和复合电阻Rrec，其中Rs对应于高频区域，Rrec 对应于低频区域。 空间限制电荷限制电流法测试（SCLC）： SCLC现在常被用来定量测试钙钛矿器件对应的钙钛矿薄膜的缺陷态密度。钙钛矿电池在测试时为单电子传输层或者单空穴传输层结构。通过在暗态下测量钙钛矿器件的空间限制电流于外加偏压的伏安特性，我们可以得到SCLC曲线。测得的曲线可分为三个区域，低压下的线性欧姆区，缺陷填充区，随着偏压进一步增大而进入的无缺陷区。欧姆区与缺陷填充区过度点处的电压即为缺陷填充的极限电压VTFL。根据相关公式，我们可以计算得到钙钛矿薄膜的缺陷态密度。
页:
[1]
