Small Methods: 扫描探针显微技术在有机无机卤化物钙钛矿材料和太阳能电池研究中的应用

为了满足社会发展日益增长的能源需求和可持续发展,加快开发利用环境友好型可再生能源是应对全球日益严峻的能源环境问题的必由之路。有机无机卤化物钙钛矿材料是一种极具前景的光伏材料,由其制备的钙钛矿太阳电池具有制备工艺简单、可柔性、带隙可调等优点。更重要的是,这种新型太阳能电池的光电转化效率已经能够和商业化的硅太阳能电池相匹敌,使得这类电池成为光伏领域的研究热点之一。但是,这类太阳能电池要实现商业化大规模应用还需要解决一些问题,比如长期工作稳定性、钙钛矿材料中铅的毒性、器件性能的可重现性等。通常,钙钛矿材料在微观尺度上的不均一性被认为是造成以上问题的主要原因之一。而传统钙钛矿薄膜表征技术,如x射线衍射谱(XRD)、x射线光电子能谱(XPS)、量子效率测量以及I-V曲线测量,都不能给出钙钛矿薄膜在纳米尺度空间分布上的信息。扫描探针显微技术是一种可以提供材料在纳米甚至原子尺度下真实空间表面形貌及电学性质等信息的表征手段。这种技术能够利用原子尺度下的表征结果给出影响材料光伏性能的电子、化学和光电特性信息,能够为深入研究钙钛矿材料特性、解决上述制约钙钛矿太阳能电池商业化大规模应用的问题提供一种有效的研究手段。

近日,日本冲绳科学技术研究所(OIST)戚亚冰教授团队总结了扫描探针显微技术在有机无机卤化物钙钛矿材料研究中的相关进展。该综述首先详细介绍了各种扫描探针显微技术相对应的钙钛矿材料样品的制备方法;然后重点分析了各种扫描探针显微技术的技术特点及其在钙钛矿光伏材料研究中的独特应用,着重阐述了这些技术在钙钛矿材料太阳能电池应用表征中所揭示的相关材料特性 。其中,主要讨论了三类扫描探针显微技术:(1)原子力显微技术(AFM),包括形貌原子力显微技术(Topographic-AFM)、导电原子力显微技术(c-AFM)、压力响应力显微技术(PFM)、开尔文探针显微技术(KPFM)和光热诱导共振技术(PTIR);(2)扫描隧道显微技术(STM),包括形貌扫描隧道显微技术(Topographic-STM)、扫描隧道谱技术(STS)、光线入射技术(Incidence of light);(3)扫描近场光学显微技术(SNOM)。最后,论文进一步总结和讨论了各种扫描探针显微技术在钙钛矿材料表征中的优缺点,以及这类技术在未来钙钛矿材料研究中所面临的挑战和机遇。该综述发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700295)上。

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