Галогенидные перовскитные солнечные элементы являются предметом интенсивного исследовательского интереса из-за привлекательных свойств перовскита; высокая подвижность носителей, большие коэффициенты поглощения, настраиваемая запрещенная зона и большая длина диффузии носителей. Одна из проблем в конструкции любого солнечного элемента – как эффективно извлечь носители заряда из устройства. Для облегчения извлечения заряда слои извлечения электронов и дырок обычно включаются в комплект устройства.

Одним из многообещающих материалов, исследуемых в качестве слоя для извлечения дырок, являются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки (VACNT). Пакет солнечных элементов, включающий VACNT в качестве слоя извлечения отверстий, показан на рисунке 1. VACNT выращиваются в виде сетки «башен» на вершине электрода ITO, чтобы добиться улучшенного извлечения заряда при сохранении высокой оптической передачи через ITO / VACNT. .

Фотолюминесценция (ФЛ) пропорциональна количеству носителей заряда в перовските и поэтому чувствительна к переносу заряда в соседние слои. Это делает методы на основе PL бесценными для исследования характеристик новых слоев экстракции. В этом примечании по применению перенос дырок в слой извлечения дырок на основе VACNT отображен с помощью стационарной конфокальной ФЛ микроскопии с временным разрешением и конфокального рамановского и PL микроскопа Edinburgh Instruments RMS1000

.

Материалы и методы

Массив башен из VACNT был выращен на стеклянной подложке с покрытием ITO с использованием фототермического химического осаждения из паровой фазы (PTCVD) и слоя смешанного галогенида Cs _0,05 FA _0,79 MA _0,16 PbI _2,4 Br _0,6 перовскит наносили сверху центрифугированием. Полную информацию о изготовлении образца можно найти в предыдущей публикации. ¹ Подложка была закреплена на предметном стекле микроскопа с помощью двусторонней ленты, которая затем была прикреплена к моторизованному столику конфокального рамановского и PL микроскопа RMS1000. . RMS1000 был оснащен непрерывным лазером с длиной волны 532 нм для спектральной регистрации, пикосекундным диодным диодным лазером EPL-450 с временным разрешением, дифракционной решеткой 600 г / мм, ПЗС-камерой с задней подсветкой, сроком службы коррелированного по времени счета одиночных фотонов (TCSPC). электроника и высокоскоростной детектор срока службы ФЭУ.

<img alt=" Конфокальный рамановский и PL микроскоп RMS1000. "Src =" https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_38071_16260762055966061.png "style =" width: 768px; height: 595px; "width =" 768 "height =" 595 "/>

Рис. 2. Конфокальный рамановский и PL микроскоп RMS1000. Изображение предоставлено: Edinburgh Instruments

Картирование спектральной фотолюминесценции

Чтобы наблюдать перенос дырок из перовскита в башни VACNT, поверхность образца ITO / VACNT / перовскита была отображена с использованием картирования интенсивности ФЛ. Отраженное изображение в темном поле области размером 500 мкм x 500 мкм, подлежащее картированию, показано на рисунке 3a. Под слоем перовскита виден массив башен VACNT. Карта ФЛ 100 × 100 точек (разрешение 5 мкм) была получена с использованием лазера с длиной волны 532 нм для фотовозбуждения и регистрации спектра ФЛ в каждой точке с использованием дифракционной решетки 600 г / мм и камеры CCD RMS1000. Интегральная интенсивность каждого спектра ФЛ была рассчитана для создания карты интенсивности ФЛ, показанной на рисунке 3b.

<img alt=" Поверхность ITO / VACANT / перовскита, полученная с использованием (а) широкопольного освещения темного поля, (б) карты интенсивности конфокальной ФЛ. Извлеченные спектры в точках 1 и 2 карты PL показаны (c). "Src =" https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_38071_16260762134782759.png "style =" width: 1536px; height: 512px; "width =" 1536 "height =" 512 "/>

Рис. 3. Поверхность ITO / VACANT / перовскита, полученная с использованием (а) широкопольного освещения темного поля, (б) карты конфокальной интенсивности ФЛ. Извлеченные спектры в точках 1 и 2 карты PL показаны (c). Изображение предоставлено: Edinburgh Instruments

Карта PL показывает, что интенсивность PL снижается на вершине опор VACNT, что указывает на перенос дырок из перовскита в VACNT. Для возникновения ФЛ фотогенерированные электроны и дырки в перовските должны рекомбинировать. Перенос дырок в VACNT будет подавлять электронно-дырочную рекомбинацию внутри слоя перовскита и понижать ФЛ. Извлеченные спектры ФЛ из области с присутствующими VACNT и без них показаны на рисунке 3c, где можно увидеть уменьшение интенсивности и изменение формы спектра.

Картирование фотолюминесценции за всю жизнь

Карта интенсивности ФЛ предоставила убедительные доказательства переноса дыр в башни VACNT, однако это не единственная потенциальная причина снижения интенсивности ФЛ. Например, более тонкий слой перовскита, нанесенный поверх VACNT, покажет аналогичный отклик. RMS1000 может быть оснащен импульсными лазерными источниками и электроникой для коррелированного по времени однофотонного счета (TCSPC) для картирования времени жизни фотолюминесценции. Это обеспечивает дополнительную информацию к спектральному картированию PL и может использоваться в качестве подтверждающего измерения того, что происходит перенос дыр.

Для получения карты времени жизни фотолюминесценции образец был фотовозбужден импульсным диодным лазером с длиной волны 450 нм (EPL-450) и время жизни фотолюминесценции измерялось с помощью TCSPC с помощью высокоскоростного детектора времени жизни ФЭУ RMS1000. Распад PL 60 x 60 регистрировали на участке образца размером 150 x 150 мкм, чтобы получить карту времени жизни с разрешением 2,5 мкм. Затухания ФЛ соответствовали трехкомпонентной экспоненциальной модели (уравнение 1) с использованием программного обеспечения Ramacle ^® RMS1000 и средневзвешенного по интенсивности времени жизни (уравнение 2) компонентов, рассчитанного для создания времени жизни карта, показанная на рисунке 4a.

Карта времени жизни ФЛ показывает, что среднее время жизни ФЛ перовскита уменьшается с ~ 100 нс до ~ 60 нс, когда ВАУНТ находятся под перовскитом. Пример затухания PL в положениях с присутствующими VACNT и без них показан на рисунке 4b, подчеркивая многоэкспоненциальный характер требуемой подгонки. Уменьшение среднего срока службы на вершинах башен VACNT является подтверждающим доказательством того, что перенос дырок в VACNT действительно происходит, поскольку перенос дырок является дополнительным путем быстрой депопуляции, который сокращает срок службы PL.

<img alt=" Картирование времени жизни PL образца перовскита. (а) карта среднего времени жизни ФЛ поверхности перовскита и (б) выделенные распады ФЛ (точки) и трехкомпонентные экспоненциальные аппроксимации (сплошные линии). "src =" https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ ImageForNews_38071_16260762260155137.png "style =" width: 1024px; height: 386px; "width =" 1024 "height =" 386 "/>

Рис. 4. Картирование времени жизни PL образца перовскита. (а) Карта среднего времени жизни ФЛ на поверхности перовскита и (б) выделенные спады ФЛ (точки) и трехкомпонентные экспоненциальные аппроксимации (сплошные линии). Изображение предоставлено: Edinburgh Instruments

Заключение

Свойства экстракции заряда дырочного слоя из VACNT для перовскитных солнечных элементов были исследованы с использованием конфокального рамановского и PL микроскопа RMS1000. RMS1000 может получать как спектральные карты, так и карты срока службы полупроводниковых образцов, а перенос дырок в VACNT был подтвержден с использованием комбинации обоих режимов отображения PL. Конфокальная ФЛ микроскопия – идеальный инструмент для визуализации извлечения заряда на микромасштабе в перовскитных солнечных элементах для непрерывной оптимизации их работы.

Благодарности

Мы благодарны доктору Виктории Фергюсон из группы наноэлектроники Университета Суррея за предоставленный образец перовскита, использованный в этой заметке по применению.

Ссылки

1. Фергюсон, Б. Ли, М. О. Тас, Т. Уэбб, М. Т. Саджад, С. Дж. Томсон, З. Ву, Ю. Шен, Г. Шао, Дж. В. Ангита, С. П. Сильва, В. Чжан, Прямой рост вертикально ориентированного углерода Нанотрубки на прозрачном проводящем оксидном стекле для улучшенного извлечения заряда в перовскитных солнечных элементах, Adv. Матер. Интерфейсы 7 2020, 2001121

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