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熱點應用丨有機太陽能電池的共焦拉曼、光致發光及光電流成像研究

來源:天美儀拓實驗室設備(上海)有限公司      分類:應用方案 2025-04-10 17:45:12 101閱讀次數
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簡介

有機太陽能電池(OSCs)是硅基太陽能電池的一種替代品,它使用諸如聚合物之類的有機材料來發電。有機太陽能電池對環境的影響較小,通常重量輕,并且在設計上可以具備較高的抗彎曲穩定性和貼合性,這使得它們用途極為廣泛1

然而,與硅基電池相比,目前有機太陽能電池的效率和穩定性較低。要使有機太陽能電池成為一種可行的、廣泛應用的太陽能利用技術,還需要持續進行研究和開發。

拉曼光譜具有極高的化學特異性,可用于獲取有關硅、碲化鎘、過氧化物、ll-V 半導體、量子點和有機電池的各種功率效率影響特性的信息2。如果與共聚焦顯微鏡相結合,就有可能獲得微米分辨率的拉曼圖像,從而揭示材料特性在整個細胞中的變化情況。

此外,拉曼顯微鏡還可以用于光致發光(PL)成像,而光致發光成像在光伏質量控制領域是一項行業標準技術。通過為 RM5 拉曼顯微鏡添加光電流成像升級模塊,電池表面拉曼特性和光致發光特性的變化就可以與電池性能直接關聯起來。

本文展示了使用愛丁堡儀器公司的 RM5 共焦拉曼顯微鏡,對有機太陽能電池上同一區域進行的拉曼成像、光致發光成像和光電流成像。這種光譜與光電流的關聯成像方法在光伏行業中是一種強大的工具,因為它有助于更深入地了解太陽能電池的各項性能。

材料與方法

本文中所使用的有機太陽能電池(OSC)是由倫敦南岸大學的能源工程與材料器件(TEMD)研究小組制備的。所制造器件的典型結構如圖 1 所示。陽極由透明的氧化銦錫(ITO)電極組成,而陽極夾層則由聚(3,4 - 乙撐二氧噻吩)和聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)的混合物構成。活性層由供體聚合物 PM6 和非富勒烯受體分子 Y6 的混合物形成。陰極夾層的特點是含有脂肪胺功能化的苝二酰亞胺(PDlNN),而陰極是銀。在該結構的活性層上,兩個陽極和四個陰極相交,形成了八個有機太陽能電池像素。

圖 1:本文中使用的有機太陽能電池的結構。

將該有機太陽能電池(OSC)安裝到了 RM5 的電動載物臺上,如圖 2 所示。使用 532 納米的激光和 1800 gr / mm的衍射光柵進行拉曼成像掃描。在對同一區域進行光致發光(PL)成像掃描時,532 納米的激光搭配的是 300 gr/ mm的衍射光柵。使用跨阻放大器和模數轉換器來測量該有機太陽能電池的光電流響應。

圖 2:愛丁堡儀器RM5 顯微共聚焦拉曼光譜儀

有機太陽能電池的光電流和拉曼成像

首先使用反射明場顯微鏡對該有機太陽能電池(OSC)進行成像,如圖 3 所示。在這張圖像中,氧化銦錫(ITO)陽極呈水平走向,三根銀(Ag)陰極呈垂直排列。陽極和陰極重疊處的三個像素點位置用紅色方框標出。

圖 3:OSC 的反射明視野圖像,像素位置如圖所示。

然后,使用拉曼和光電流技術對該有機太陽能電池(OSC)進行成像,在成像掃描過程中同時記錄拉曼光譜和光電流。得到的光電流圖像和拉曼強度圖像分別如圖 4a 和圖 4b 所示。

圖 4:(a)OSC 的光電流和(b)拉曼成像。(c) 從 OSC 記錄的代表性拉曼光譜和 (d) 拉曼光譜的峰值歸屬表。

圖 4a 中的光電流圖像顯示,在氧化銦錫(ITO)與銀(Ag)陰極相交的三個像素區域內產生了光電流。圖 4b 中的拉曼圖像則包含了有關該有機太陽能電池(OSC)化學結構的信息。在整個成像區域記錄的拉曼光譜中,主要的譜帶位于 1425 cm-1、1469 cm-1、1492 cm-1 和 1536 cm-1 處。這些譜帶是活性層中 PM6 聚合物的典型特征,分別可歸因為 C=C 不對稱伸縮振動、C=C 對稱伸縮振動、C-C 伸縮振動以及 C-S-C 不對稱環伸縮振動,如圖 4d 所示。拉曼強度的變化歸因于 PM6:Y6 活性層中 PM6 形態的變化。已檢測到拉曼強度存在大規模的變化,例如中間像素中出現的高強度大對角條紋。值得注意的是,觀察發現,隨著整個有機太陽能電池上拉曼強度的增加,檢測到的光電流卻降低了。拉曼強度或光電流強度極低的小區域是在有機太陽能電池制造過程中產生的機械缺陷。

有機太陽能電池的光電流和光致發光成像

接下來,使用光致發光(PL)光譜法對該有機太陽能電池(OSC)上的相同區域進行成像掃描,并將得到的圖像與光電流圖像進行比較,如圖 5a 和圖 5b 所示。光致發光光譜法是優化太陽能電池的一項重要技術,因為它能夠探測活性層的帶隙,并且光致發光與電荷載流子的數量成正比。對于該有機太陽能電池中光致發光現象的產生,活性層中光生電子和空穴必須復合。電荷載流子的提取,或者說電子和空穴向相鄰層的轉移,會抑制活性層內電子 - 空穴的輻射復合,并降低光致發光響應。因此,該方法可用于研究電荷提取效率。

圖 5:(a)OSC 的光電流和(b)PL 成像。(a) 像素 1 和 (b) 像素 2 的 PL 光譜

圖 5b 中的光致發光(PL)圖像表明,電池表面的光致發光強度存在顯著差異,因此,其電荷提取效率也有所不同。圖 5c 中的光譜是從機械缺陷附近提取的。從點 1 提取的紅色光致發光光譜顯示,在 677 nm和 883 nm處有譜帶,它們分別可歸因為 PM6 供體和 Y6 受體內部的電子-空穴復合。在機械缺陷區域內(點 2),光致發光強度有所降低。在缺陷的邊緣,光致發光強度增加,這表明缺陷周圍的電荷提取效果較差。

來自像素2的光譜顯示出光電流存在差異的區域,但在反射明場圖像中沒有可見的缺陷。點 4 處的光致發光(PL)響應低于點 5 處的,且點 4 處產生的光電流更大,這表明點 5 處的電荷提取效率較低。來自相同點的拉曼數據表明,點 5 處活性層的形態與點 4 處的不同。此外,點 4 和點 5 處的光譜輪廓也存在顯著差異。在點 5 處,PM6 和 Y6 譜帶之間的比值比點 4 處的大,這表明兩種材料的混合情況有所不同。對于有機太陽能電池(OSC)而言,供體和受體的相分離對于提高激子解離和電荷傳輸效率至關重要。綜合拉曼、光致發光和光電流數據表明,在有機太陽能電池中沉積的活性層如果混合程度較差,會導致電荷提取效果不佳,并且光電流較低。

總結

本文著重介紹了相關的拉曼、光致發光和光電流成像技術在太陽能電池分析中的強大作用。將這些技術相結合,便有可能獲取有關有機光伏器件的光學、結構和電學性質的信息。這三種技術表明,化學成分的差異以及施主相和受主相的分離情況,會導致整個器件在電荷提取效率上出現差異。通過采用這種關聯成像方法,可以對太陽能電池中限制效率的因素展開研究,從而推動更先進的太陽能技術的發展。

參考文獻

1. E. K. Solak?et al., RSC Adv.,?2023, 13, 12244-12269.

2. P. K. Nayak?et al., Nat. Rev. Mater.,?2019,?4,?269-285.

3. Q. Guo?et al., Mater. Chem. Front., 2021,?5,?3257-3280.

4. Z. Fu?et al., Adv. Mater.,?2024,?36, 2313532.

5. M. Hong?et al., ACS Appl. Mater. Inter., 2023,?15, 20151-20158.

6. M. L. Keshtov?et al., Energy Technol.,?2023,?11, 2201211.

7. M. L. Keshtov?et al., Nano Select,?2020,?1, 320-333.

8. L. Zhang?et al., Sci. Rep., 2014,?4, 5071.

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