近年来，随着有机金属钙钛矿太阳能电池的快速发展，人们对柔性、低成本且易于加工的光伏材料的探索迎来了新的转折点。钙钛矿材料具有高载流子迁移率、强吸收能力和可调带隙等优异特性，使其成为制造低成本太阳能电池的理想候选材料。
为了推动该技术规模化并实现与硅基太阳能电池的竞争，深入理解钙钛矿材料的基本物理性质至关重要。Photon etc.的全局高光谱成像平台（IMA和GRAND-EOS）能够完美地回答科学家们长期以来关于钙钛矿优异性能的诸多疑问。事实上，IMA和GRAND-EOS可快速表征二维和三维钙钛矿晶体以及完整器件的结构和物理特性。全局高光谱成像结合了光谱学与成像技术：每张图像在窄波段范围内采集，可在大面积区域（从100×100μm² 到16×16 cm² 或更大）上以高光谱分辨率（<2 nm）和接近衍射极限的空间分辨率（~μm）获取光致发光（PL）、电致发光（EL）、透射率和反射率数据。
通过分析这种空间与光谱信息的组合，可以提取以下信息：
· 吸收特性
· 缺陷的存在
· 非辐射复合损失
· 均匀性
· 衰退行为
当全局高光谱成像与Photon etc.的绝对校准模块结合使用时，还可进一步提取光电性能参数：
· 准费米能级分裂
· 载流子传输效率
· 开路电压（Voc）
· 外量子效率（EQE）
Photon etc. 的高光谱成像仪也可用于光致发光激发（PLE）测量。PLE是一种光谱技术，通过改变激发波长并在固定宽带发射范围内监测发光信号。PLE是研究特定材料吸收谱线的有效方法，当与高光谱成像相结合时，可帮助识别材料中的不均匀性和非辐射复合损失。
Photon etc. 的可调谐激光源（TLS）由两个模块组成：超连续光源（宽带光源）和激光线可调谐滤波器（LLTF -带通滤波器）。当与标准科研级显微镜结合使用时，TLS可将显微镜转变为高光谱PLE系统。该系统可在可见光（400–1000 nm）、近红外（900–1620 nm）或两者（400–1620 nm）波段范围内连续调谐。这一先进的平台无需特殊样品制备即可对先进材料进行深度表征。
全球各地的研究人员正广泛使用Photon etc.的高光谱成像系统来优化其材料制备和器件制造工艺。
钙钛矿器件——光致发光与电致发光成像
瓦伦西亚大学的Henk Bolink博士与法国光伏能源研究与发展研究所（IPVF，原IRDEP）的研究人员合作，研究了具有不同电子传输层（PCBM和C60）的混合有机-无机甲胺铅碘钙钛矿（CH₃NH₃PbI₃）太阳能电池的性能。利用IMA获得的发光高光谱数据（激发强度< 1 sun），研究人员成功识别出此类器件中存在的显著空间不均匀性（图1）。"这些空间不均匀性似乎与载流子提取问题有关，导致电池填充因子受限。"
图1– 基于在1.15 V和1.16 V偏压下获取的EL高光谱图像计算得到的电流传输效率（fT）分布图。fT映射分别在微观尺度（上图）和整个器件层面（下图）进行，针对采用PCBM（a、c，器件A）或C60（b、d，器件B）作为电子传输层（ETL）的钙钛矿太阳能电池。信号分布的插值结果以颜色标尺叠加显示，便于视觉观察。
钙钛矿晶体——光致发光成像
Photon etc. 与麦吉尔大学的David Cooke教授和西北大学的Mercouri Kanatzidis教授合作，研究了在空气中老化后的钙钛矿晶体的成分。在几分钟内，系统在670×900μm² 的区域内采集了超过550–900 nm光谱范围内的百万条光致发光（PL）光谱（图2）。光谱特征的变化以及强度的差异被归因于晶界、缺陷以及相分离现象。
图2–a)在770 nm处提取的PL图像，b) PL中心波长的伪彩色图，c)从高光谱数据中提取出的两条PL光谱（颜色对应图b中的区域）。
大尺寸钙钛矿晶体的研究是与纽卡斯尔大学Pablo Docampo教授研究团队合作完成的。一个高效的太阳能电池需要尽可能高的发光性能。对PL强度进行成像（图3）可快速评估非辐射复合损失，并为材料效率提供重要信息。为了获得此类图像，使用532 nm激光以10倍太阳光强等效功率激发样品，光谱数据在不到一分钟内以5 nm步长从670 nm到880 nm范围内采集完成。
图3–a)在790 nm处提取的PL图像，b)从不同区域（见图中对应标记点）提取的PL光谱。数据由IMA在10倍太阳光强等效功率下采集。
测量也在较大尺度上使用Photon etc.的GRAND-EOS平台进行。采用532 nm激光在0.1倍太阳光强等效功率下激发样品。图4显示了在2 cm×2 cm视场范围内获得的光致发光（PL）图像。GRAND-EOS平台能够以更大范围捕获光学图像，有助于优化制造工艺。
图4–a)在790 nm处提取的PL图像，b)从不同区域（见对应标记点）提取的PL光谱。数据由GRAND-EOS系统在0.1倍太阳光强等效功率下采集。
光致发光激发成像
最后，使用Photon etc.的可调谐激光源作为激发光源，对同一样品进行了光致发光激发（PLE）和反射率成像，并采用Photon etc.的IMA系统进行PL成像，激发光源为532 nm激光（见图5）。PLE光谱表明，PL发射强度依赖于激发光子的能量，在2.03 eV激发能量下达到最大强度。获取空间信息不仅有助于识别样品中缺陷的存在，还提供了有价值的洞察。此外，已有研究表明，将PLE与拉曼光谱结合可用于识别钙钛矿晶体中PL发射的来源。最后，将PL和PLE测量结果与Franck-Condon模型相结合，可以深入了解电子-声子相互作用。
图5–a)在2.33 eV能量下从钙钛矿晶体获得的光致发光激发（PLE）高光谱图像；b)在2.33 eV能量下提取的反射率高光谱图像；c)从a)和b)中对应区域提取的PLE（橙色填充）、反射率以及PL（蓝色填充）光谱。
钙钛矿薄膜——光致发光成像
剑桥大学的Sam Stranks教授正在通过光致发光（PL）成像研究混合卤素铅钙钛矿的基本性质（见图6）。研究对象为采用溶剂法制备的三元混合卤素钙钛矿薄膜（Cs₀.₀₆MA₀.₁₅FA₀.₇₉）Pb(Br₀.₄I₀.₆)₃，其中MA为甲胺基，FA为甲脒基。这些薄膜在等效太阳光照条件下被研究。研究发现，光照会导致富含碘的钙钛矿在表面局部区域与钝化PbI₂材料相互混合。“这项工作揭示了混合卤素混合阳离子钙钛矿中相分离的新机制，并展示了通过调控电荷密度和传输来实现高发光薄膜的新型器件结构路径。”
图6– 在相同区域内，对宽带隙峰（a-d）和窄带隙峰（e-h）在(Cs₀.₀₆MA₀.₁₅FA₀.₇₉)Pb(Br₀.₄I₀.₆)₃ 钙钛矿薄膜上随时间变化的原位高光谱PL图像。样品在白光照射下（强度为290 mW/cm²，相当于约3倍太阳光强）进行测试：t = 0时为处理前，处理过程中（10分钟和30分钟），以及发射强度达到稳定状态后（180分钟）。图像使用405 nm激光激发（约1倍太阳光强，50 mW/cm²），所有测量均在惰性气氛中完成。
Stranks 教授的其他研究工作也利用高光谱成像技术对钙钛矿材料进行了表征，包括：
· 卤化物钙钛矿晶界处限制性能的纳米级陷阱簇
· 钙钛矿叠层光伏器件的质子辐射耐受性
· 控制二维/三维铅锡钙钛矿异质结的生长动力学及光电特性
这种高效的方法能够深入表征钙钛矿的微观结构，显著有助于理解这些材料中的退化现象，从而推动其向实际应用和产业化迈进。
光致发光激发成像
在Rolston等人的研究中，采用光致发光激发（PLE）高光谱成像技术，研究了通过两种不同工艺制备的钙钛矿太阳能电池的发光产率：开放式空气快速等离子体处理（RSPP）和旋涂法。Photon etc.的可调谐激光源与科研级显微镜耦合，用于获取PLE高光谱数据。图7展示了从PLE高光谱图像（c, e）中提取的PLE光谱（a），结果证实RSPP工艺比旋涂法具有更高的光致发光产率，且更适用于钙钛矿太阳能组件的快速开放环境制造。
图7–a) RSPP和旋涂法制备的钙钛矿的光致发光激发（PLE）光谱；b)旋涂钙钛矿的光学图像；c)对应的PLE图像；d) RSPP钙钛矿的光学图像；e)对应的PLE图像。RSPP工艺表现出更高的发光强度，这一现象在光谱和PLE图像中均清晰可见。
利用高光谱显微镜的强大功能：探索IMA
东隆科技总代理的IMA是一款高光谱显微镜，可在单一仪器中提供400 nm至1620 nm范围内的光谱和空间信息。通过将科学级可见光（VIS）、近红外（NIR）和/或短波红外（SWIR）显微镜与Photon etc.专利成像滤光片相结合，可对多种材料进行广泛的光学表征。IMA高光谱成像显微镜能够在单次快照中获取数百万个数据点，并快速绘制光致发光（PL）、电致发光（EL）、荧光、反射率和透射率等图像。IMA具备灵活配置为明场或暗场高光谱显微镜的能力。此外，基于高通量成像滤光片，IMA比传统的逐点扫描系统更快、更高效。
光伏分析变得简单：几分钟内完成PLQY和QFLS成像
随着新型光伏材料的兴起，仅依赖光致发光量子产率（PLQY）成像已不足以全面评估性能。利用IMA高光谱显微镜采集的数据，IMA的新软件模块可让您只需点击几下，即可生成关键的光伏表征图谱——包括光致发光量子产率（PLQY）、准费米能级分裂（QFLS）和带隙能量（Eg），从而获得更深入、更准确的分析结果。
无论您是刚刚开始研究还是深入材料优化阶段，这款工具都快速、可靠，可轻松集成到您的太阳能研究工作流程中。
