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迈塔光电ScanPro Advance产品在有机-无机钙钛矿效率提升、高压调控方向研究进展

迈塔光电ScanPro Advance产品在有机-无机钙钛矿效率提升、高压调控方向研究进展 南京迈塔光电科技有限公司
2020-02-14
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导读:近日,我司ScanPro Advance综合光电测试系统在有机-无机钙钛矿效率提升、高压调控方向得到了系列应用成果。
近日,我司ScanPro Advance综合光电测试系统在有机-无机钙钛矿效率提升、高压调控方向得到了系列应用成果。

 ScanPro Advance为高配置定制化的多功能光电测试系统,灵活的配置可以满足复杂的定制化需求。在单台设备上可以集成拉曼光谱,荧光光谱,稳态/瞬态光电流测试,吸收光谱,荧光寿命测试,电致发光测试,并且通过高精度的压电平移台进行光谱扫描,光电流扫描以及荧光寿命扫描。超高稳定性的显微镜结构可以支持长时间的连续测试,多层光学光路可以使用包括连续输出激光器,皮秒脉冲激光器,卤素灯,氙灯等多种光源进行测试。

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1. ScanPro:高压调控二维金属卤化物钙钛矿材料光电性能新进展

       近年来,二维层状有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料(HOIPs)因具有高稳定性、高发光量子效率以及可调控性等优点而成为发光二极管、太阳能电池领域的研究热点。

       南京工业大学IAM团队,采用基于金刚石对顶砧的高压技术研究了二维金属卤化物钙钛矿材料(PEA)2PbI4在高压下的结构,电学及光学性质。研究发现,当压力达到5.8 GPa时,(PEA)2PbI4结构发生相变并伴随着直接到间接带隙的转变。当压力释放的时恢复到直接带隙,证明了结构相变的可逆性,探索了(PEA)2PbI4在高压下的结构及光电性质。相关工作以题为“Direct-indirect Transition of Pressurized 2D Halide Perovskite: Role of Benzene Ring Stack Ordering”发表于国际物理化学权威学术期刊The Journal of Physical Chemistry Letters。

高压下(PEA)2PbI4的吸收热图

    该工作首先利用我司E1-S金刚石对顶砧二维材料转移系统(https://www.metatest.cn/productinfo/1088234.html)将(PEA)2PbI4等二维材料、单晶钙钛矿材料、纳米片、剥离后的薄膜材料等转移到金刚石砧端面,基于金刚石对顶砧的高压技术研究了二维(PEA)2PbI4在高压下的结构,电学及光学性质

E1-S金刚石对顶砧二维材料转移系统设备图



左图:金刚石砧示意图;中图:待研究材料转移压覆图;右图:待研究材料转移后样图

       下图(a)中,利用我司荧光成像显微镜拍摄的不同压力下的单晶(PEA)2PbI4样品的荧光图像,激发光源是高功率的450nmLED灯,可以发现随着压力的增加,样品荧光发光颜色从绿色变成了红色,当压力释放以后,发光颜色又恢复成了绿色。

荧光成像图片体现的是样品整体发光的情况,利用ScanPro系统的稳态-瞬态荧光模块(ScanPro系统样品台可原位集成各类尺寸的金刚石砧,长工作距离光学设计,可将光斑最小聚焦为5个微米左右,作者还研究了样品在不同压力下的荧光光谱峰位、强度和荧光寿命特性,如上图b~d。没有压力的情况下,样品的PL峰体现的是绿光,对应禁带宽度2.16eV,在低压情况下样品荧光峰向长波长移动,在临界值5.8GPa时,出现两个发光峰,显示出样品中存在两种结构相。但继续加大压强到6.7GPa时,样品发光峰稳定在2.07eV,显示出样品发生了相变,并稳定地保持在新的结构相。压力释放以后,样品荧光峰又恢复到初始状态。
由于在高压情况下,样品荧光强度较弱,很难获得完整的PL衰减曲线,作者研究了5Gpa以下的样品荧光寿命,并通过双e指数拟合的方法得到了两个寿命参数ScanPro系统瞬态荧光钙钛矿版可完美覆盖500ps~1us范围),一个快速衰减通道t1= 0.49 ns,反映的是缺陷对载流子的捕获情况;一个慢速衰减通道t2= 24 ns,反映的是辐射复合情况。当压强增加时,两个通道的寿命都显著减少,其中快通道的寿命缩短,可能是由于高压造成材料中产生了更多的缺陷,载流子被捕获的概率更高;同时,慢速衰减信号的比例大量减少,在2.4GPa下几乎消失,这和上图(c)中PL强度随压强增大而逐渐减少,可以相对应。

此外,作者还对样品进行了透射吸收测试,在0.4GPa时,观察到已明显的吸收边,对应能级为2.25eV,随着压强的增加,吸收边逐渐红移,这个规律同荧光测试结果是一致的。当压强超过5.8GPa时,吸收边出现一个显著的蓝移,显示出样品中产生了一个新的结构相。ScanPro系统的吸收光谱模块,兼容透射或反射式测试方法,采用标准长寿命汞灯作为激发光源,数据采集便利。
此外,该团队结合第一性原理计算,通过计算不同堆垛方式的(PEA)2PbI4的焓差,从理论上证明了在高压下AB型堆垛的(PEA)2PbI4相变成AA型堆垛的(PEA)2PbI4。并且证明该相变是由PEA中苯环的堆积方式的改变所导致的。此工作将实验与理论相结合,探索了二维金属卤化物钙钛矿材料(PEA)2PbI4在高压下的结构及光电性质,揭示了(PEA)2PbI4的相变机理。

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2.  ScanPro:部分预成核以制备单相基于FA0.92MA0.08PbI3的高效太阳电池

 高性能钙钛矿太阳能电池(PSCs)的开发已经进行了大量的研究, 并取得了显著的成果. 基于FA x MA1− x PbI3的混合阳离子钙钛矿具有广泛的吸光范围和显著的热稳定性, 是获得高性能器件的理想材料. 

然而, 很难通过前驱体来控制钙钛矿膜中混合阳离子的比例. 此外, 高MA+含量的FA x MA1− x PbI3薄膜存在严重的相分离和大量的陷阱态, 导致光伏性能较差. 为了抑制相分离,近日,华北电力大学可再生能源学院研究团队提出了一种退火前部分成核的后处理方法, 用混合的甲酰胺碘/甲铵碘(FAI/MAI)溶液处理制备的FAI-PbI2-DMSO中间相, 最终得到的钙钛矿为FA0.92MA0.08PbI3. 发现由于类似的分子结构引发了钙钛矿后处理薄膜中的离子交换, 从而促进了部分成核, 缺陷大大减少. 因此, 增加的光捕获和减少的缺陷态有助于提高开路电压和短路电流. 用后处理方法制备的PSCs在大气条件下, 最大PCE为20.80%, 80天后降解率为30%, 具有可靠的重现性。文章《Advanced partial nucleation for single-phase FA0.92MA0.08PbI3-based high-efficiency perovskite solar cells》发表在SCIENCE CHINA Materials.

      为了验证样品的均匀性和相分离的特征,作者利用ScanPro系统高精度荧光扫描模对样品10 × 10 μm2的区域进行了微区PL光谱扫描测试,单步长为200nmScanPro系统扫描点间距最小50nm,扫描范围XY方向各100um,并可记录下每一点的整条光谱信息,便于后续针对峰位、强度、峰位差等参数画mapping图)。微区PL光谱扫描测试,结合AFM的形貌图,可以有效地分析材料光电特性和材料形貌、组分之间的关系。

图c是MCPFA0.92MA0.08PL峰位扫描图,

图d是Tra-FA0.9MA0.1PL峰位扫描图;

图e是MCPFA0.92MA0.08PL峰强度扫描图,积分范围是 800 to 810 nm,图f是Tra-FA0.9MA0.1PL峰强度扫描图,积分范围是715 to 815 nm。

通过分析发现,MCPFA0.92MA0.08PL分为分布范围更窄,薄膜各点PL强度均匀性一致,证明样品中主要是单相,且缺陷较少;Tra-FA0.9MA0.1薄膜中的MA+ and FA+都可能与PbI2发生反应,样品中存在着两种相共存,造成了样品的PL峰位分布范围更广,且在微畴部分荧光强度衰减十分明显。
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参考文献下载地址:https://www.metatest.cn/productinfo/1104479.html
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