鈣鈦礦太陽能電池的顯微成像

掃描電鏡應用廣泛

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

    電子顯微鏡是PSC表征中廣泛使用的表征技術之一。主要用于材料的形態表征，并且在了解 PSC的高光電轉化效率方面發揮著重要作用。電鏡技術常見的用途是分析和改善器件架構，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大工具，可以獲得薄膜的表面圖像，在PSC的性能提升中發揮了重要作用。可以測量的主要參數有如下幾種：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重要。

二次電子和背散射電子信號

      為了對薄膜表面進行成像，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，因為這些層通常沉積在導電襯底上，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節，這對電鏡的光路系統有著非常嚴格的要求。

     賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo 2兼具低電壓高質量成像和多功能分析性能于一體，采用雙引擎技術，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是由非彈性碰撞產生的，它激發了材料中的電子，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，因為它們具有更高的能量，并且在離開樣品的過程中受散射過程的影響較小。當然由于這個原因，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，比較了常規自旋鍍膜法制備的MAPbI₃層和在自旋過程中使用氯苯誘導快速結晶制備的MAPbI₃層。結果顯示常規方法制備的鈣鈦礦層內形成了較大的孔洞；但是通過溶劑誘導法則形成了覆蓋的均勻層。

BSE模式獲取截面結構

     除了觀察表面形貌外，PSC的截面結構，對于材料制備的重現性也很重要。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。較暗的區域不包含鈣鈦礦中的Pb，因為鈣鈦礦的原子序數比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的截面結構

     總之，掃描電鏡是一種強大的微觀表征技術，但同時針對不同的材料和研究選擇適當的電鏡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，誘導形成偽像，使微觀結構表征變得困難。因此，需要結合低電壓和低電子劑量來獲得理想的結果。

圖3： Apreo 2場發射掃描電鏡拍攝的鈣鈦礦截面

       賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo 2，正是這樣一臺具備優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構的利器！

賽默飛場發射掃描電鏡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.