Advanced Energy Materials:导电原子力显微成像技术在钙钛矿材料与光伏电池中的应用

有机-无机杂化钙钛矿材料得益于出色的光电性能和低成本的溶液制备工艺,在光电和光伏领域具有巨大的潜力。然而,钙钛矿材料光电性能在微观尺度上的不均一性引发了各种各样的问题。制备过程的细微差异对钙钛矿形貌,晶粒尺寸和结晶质量产生重大影响,所有这些都与电荷的产生,提取和传输行为以及整个器件的性能密切相关。此外,反常的电流-电压滞后现象,令人困惑的离子迁移行为,神秘的铁电特性及其对钙钛矿电池性能的影响已引起了激烈的争论。因此,全面分析制约器件宏观性能的微观现象与深层机制,深入澄清问题的根源并解决限制器件发展的瓶颈问题是非常必要的。扫描探针显微镜作为一种高分辨率成像技术可以有效揭示局部特性、微观区域形态与整体器件性能间的关联。导电原子力显微镜(C-AFM)可以实现材料在真实空间表面形貌的可视化,以及微观尺度上电学性质的同步分析。该技术能够利用微纳尺度下的表征结果分析出影响材料光伏性能的电学特征信息,能够为深入研究钙钛矿材料特性、解决上述制约钙钛矿光伏电池发展的问题提供一种有效的研究手段。

近日,北京科技大学张跃院士与康卓副教授团队(共同通讯作者)系统综述了C-AFM技术的基本工作原理,发展历程及其在钙钛矿光伏电池领域的最新应用。该论文详细地总结了光生载流子输运、离子迁移、铁电性和结晶取向对器件效率,稳定性和滞后现象的影响,着重阐述了C-AFM技术在分析表/界面电荷复合、探究钙钛矿材料晶界及表/界面离子迁移路径、澄清铁电极化现象,阐明晶面取向等方面的优势及发展现状。通过深入理解和全面总结C-AFM技术在钙钛矿材料与电池中的应用,有助于进一步充分发挥导电原子力显微成像技术的潜力,从而为钙钛矿材料分析提供新颖有效的方法。相关论文以题为“Emerging Conductive Atomic Force Microscopy for Metal Halide Perovskite Materials and Solar Cells”在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201903922)上。