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半导体和钙钛矿材料的高光谱(显微)成像

更新时间:2023-07-25 点击量:472

目前在光伏业界,正在进行一项重大努力,以提高光伏和发光应用中所用半导体的效率降低相关成本。这就需要探索和开发新的制造和合成方法,以获得更均匀、缺陷更少的材料。

无论是电致还是光致发光,都是实现这一目标的重要工具。通过发光可以深入了解薄膜内部发生的重组过程, 而无需通过对完整器件的多层电荷提取来解决复杂问题。

HERA高光谱照相机绘制半导体光谱成像的理想设备,因为它能够快速、定量地绘制半导体发射光谱图,且具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特性。

硅太阳能电池的电致发光光谱成像

光伏设备中的缺陷会导致光伏产生的载流子发生重组,阻碍其提取并降低电池效率。电致发光光谱成像可以揭示这些有害缺陷的位置和性质。

"反向"驱动太阳能电池(即施加电流)会产生电致发光,因为载流子在电极上被注入并在有源层中重新结合。在理想的电池中,所有载流子都会发生带间重组,这在硅中会产生1100 nm附近的光(效率非常低)。然而,晶体结构中的缺陷会产生其他不利的重组途径。虽然这些过程通常被称为"非辐射"重组,但偶尔也会产生光子,其能量通常低于带间发射。捕获这些非常罕见的光子可以了解缺陷的能量和分布。

在本实验中,我们使用了HERA SWIR (900-1700 nm),它非常适合测量硅发光衰减。测量装置如图1所示:HERA安装在三脚架上,在太阳能电池上方,连接到一个10A的电源。640×512像素的传感器安装在样品上方75厘米处,空间分辨率约为250微米。

图1. 实验装置

最重要的是,HERA光学系统没有输入狭缝,因此光通量非常高,是测量极微弱光发射的理想选择。

图2.A2.B显示了两个波长的电致发光(EL)图像:1150 nm(带间发射)和1600 nm(缺陷发射),这是4次扫描的平均值(总采集时间:5分钟)。通过分析这些图像,我们可以看到,尽管缺陷区域的亮度远低于主发射区域,但它们仍被清晰地分辨出来。此外,具有强缺陷发射的区域的带间发射相对较弱。

我们可以注意到有几个区域在两个波长下都是很暗的;这可能是由于样品在运输过程中损坏了电池造成的。

图2.C中以对数标尺显示了小方块感兴趣区域(图2A和2B中所示)的光谱。

图 2.A 和 B:两个选定波长(1150 nm 和 1600 nm)的电致发光(EL)图像。C:A和B中三个不同区域对应的电致发光光谱(图像中的彩色方框)。

金属卤化物钙钛矿薄膜的光致发光显微研究

通过旋涂等技术含量低、成本效益高的方法,可以制造出非常高效的太阳能电池和LED。这些方法面临的一个挑战是在微观长度的尺度上保持均匀的成分。光致发光显微镜是表征这种不均匀性的一个特别强大的工具。

HERA高光谱相机可以连接到任何显微镜(正置或倒置)的c-mount相机端口,并直接开始采集高光谱数据,无需任何校准程序。

图3. 与尼康LV100直立显微镜连接的HERA VIS-NIR。

在本实验中,我们使用HERA VIS-NIR(400-1000 nm)耦合尼康LV100直立显微镜(图3)来表征两种卤化物前驱体合金的带隙分布。将两种卤化物前驱体合金化的优点是能够调整材料的带隙;然而,这两种成分经常会发生逆混合,从而导致性能损失。

本实验的目的是检测这种逆混合现象:事实上,混合比的局部变化会改变局部带隙,从而导致发射不同能量的光子。

在这种配置中,激发光来自汞灯,通过带通滤光片在350 nm处进行滤光,并通过发射路径上的二向色镜将其从相机中滤除。

HERA的高通量使其能够在大约1分钟的测量时间内收集完整的数据立方体(130万个光谱)。

图4.样品的光谱综合强度图(A:全尺寸;B:放大)。

图4.A4.B分别显示了所有波长(400-1000 nm)总集成信号的全尺寸和放大图像,揭示了长度尺度在1 µm左右的明亮特征。

当我们比较亮区和暗区的光谱时(图5.B中的黑色和红色曲线),我们发现暗区实际上也有发射, 不仅强度较低,而且波长中心比亮区短。事实上,光谱具有双峰形状,很可能与逆混合前驱体的发射相对应。图5.A的发射图清楚地显示了带隙的这种变化。

我们现在可以理解为什么低带隙区域看起来更亮了--载流子可能从高带隙区域弛豫到那里,并且在发生辐射重组之前无法返回。

图5.A:显示平均发射波长的强度图。B:亮区和暗区的发射光谱(正常化)。