利用光谱和寿命共聚焦光致发光制图技术在VACNT钙钛矿太阳能电池中的成像电荷提取

卤化物钙钛矿太阳能电池由于其诱人的性质而成为人们研究的热点;高载流子迁移率，大吸收系数，可调谐带隙，长载流子扩散长度。任何太阳能电池设计的挑战之一是如何有效地将载流子从设备中取出。为了帮助电荷提取，电子和空穴提取层通常被纳入到设备堆栈中。

垂直排列碳纳米管(VACNTs)是一种很有前途的空穴萃取层材料。如图1所示，采用VACNTs作为孔提取层的太阳能电池堆栈。为了实现更好的电荷提取，同时保持通过ITO/VACNTs的高光学传输，VACNTs在ITO电极顶部的“塔”网格模式中生长。

光致发光(PL)与钙钛矿中载流子的数量成正比，因此对电荷转移到相邻层敏感。这使得基于PL的技术对于研究新的提取层的性能非常有价值。在本应用笔记中，空穴转移到VACNT基空穴提取层的图像是使用爱丁堡仪器RMS1000共焦拉曼和PL显微镜的稳态和时间分辨共焦PL显微术。

亚博网站下载材料和方法

利用光热化学气相沉积(PTCVD)和一层混合卤化物Cs在ITO涂层玻璃基板上生长了一组VACNT塔_0．05足总_０．７９马_０．１６PbI_2.4Br_0．6钙钛矿被旋涂在上面。样品制作的完整细节可以在以前的出版物中找到。¹用双面胶带将衬底固定在显微镜载玻片上，然后将其固定在RMS1000共聚焦拉曼PL显微镜的电动台上。RMS1000配备了一个532 nm连续波激光器用于光谱采集，一个EPL-450皮秒脉冲二极管激光器用于时间分辨，600 gr/mm衍射光栅，背光源CCD相机，时间相关单光子计数(TCSPC)寿命电子学和一个高速PMT寿命探测器。

图2。RMS1000共焦拉曼荧光显微镜。图片来源:爱丁堡仪器公司

光致发光光谱的映射

为了观察孔洞从钙钛矿向VACNT塔的转移，使用PL强度映射对ITO/VACNT/钙钛矿样品的表面成像。500 μm × 500 μm区域的反射暗场图像如图3a所示。在钙钛矿层下面可以看到VACNT塔的阵列。利用532 nm激光光激发获得100×100点(5 μm分辨率)的PL图，并利用600 gr/mm衍射光栅和RMS1000的CCD相机记录每个点的PL谱。计算每个PL谱的综合强度，生成如图3b所示的PL强度图。

图3。ITO/VACANT/钙钛矿表面成像使用(a)宽视场暗场照明，(b)共焦PL强度映射。如图(c)所示为PL地图上点1和点2处提取的光谱

PL图显示，在VACNT塔顶的PL强度降低，这表明孔洞从钙钛矿转移到VACNT。为了使PL发生，钙钛矿中光电生成的电子和空穴必须重新结合。空穴转移到VACNTs将抑制钙钛矿层内的电子-空穴复合，降低PL。从有和没有VACNTs的区域提取的PL光谱如图3c所示，可以看到强度降低和光谱形状的变化。

一生的光致发光映射

PL强度图提供了孔洞转移到VACNT塔的有力证据，然而，它不是PL强度降低的唯一潜在原因。例如，在VACNTs的顶部沉积一层更薄的钙钛矿层会显示出类似的响应。RMS1000可以配备脉冲激光源和时间相关的单光子计数(TCSPC)电子学，用于PL寿命映射。这为光谱PL映射提供了补充信息，并被用作确认空穴转移正在发生的测量。

采用450 nm脉冲二极管激光器(EPL-450)对样品进行光激发，利用TCSPC和RMS1000的高速PMT寿命检测器测量样品的PL寿命。在150 μm × 150 μm的区域内获得了60 × 60的PL衰变，得到了2.5 μm分辨率的寿命图。PL衰减用Ramacle的三分量指数模型(Eq. 1)拟合^®RMS1000的软件和计算组件的强度加权平均寿命(Eq. 2)，以创建如图4a所示的寿命图。

PL寿命图显示，当VACNTs位于钙钛矿下方时，钙钛矿的平均PL寿命从~100 ns降低到~60 ns。图4b显示了在有和没有vacnt存在的位置上PL衰减的例子，突出了所需的多指数性质的拟合。VACNT塔顶平均寿命的减少提供了支持证据，即空穴向VACNT的转移确实发生了，因为空穴转移是另一种将缩短PL寿命的快速衰减途径。

图4。钙钛矿样品的PL寿命图谱。(a)钙钛矿表面的平均PL寿命图和(b)提取的PL衰减(点)和三组分指数拟合(实线)。图片来源:爱丁堡仪器公司

结论

利用RMS1000共焦拉曼PL显微镜研究了钙钛矿太阳电池VACNT空穴萃取层的电荷萃取特性。RMS1000可以获得半导体样品的光谱图和寿命图，并使用两种PL映射模式的组合确认了空穴向VACNTs的转移。共聚焦PL显微术是一种理想的工具，用于在钙钛矿太阳能电池的微尺度上可视化电荷提取，以持续优化电池性能。

确认

我们非常感谢萨里大学纳米电子学小组的维多利亚·弗格森博士提供了本应用笔记中使用的钙钛矿样品。

参考文献

1. acta optica sinica, 2011, 31 (6): 823 - 829 . acta optica sinica, 2011, 31 (6): 823 - 829 . acta optica sinica, 2011, 31 (6): 823 - 829 . acta optica sinica, 2011, 31 (6): 823 - 829 . acta optica sinica, 2011, 31 (6): 829 - 829 . acta optica sinica, 2011, 31 (6): 829 - 829 . acta optica sinica, 2011, 31 (6): 829 - 829 . acta optica sinica, 2011, 31(6): 829 - 829。放置板牙。接口72020, 2001121

来源:https://www.edinst.com/us/imaging-charge-extraction-in-vacnt-perovskite-solar-cells-using-spectral-and-lifetime-confocal-photoluminescence-mapping/