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
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.
天美分析更多資訊
全部評論(0條)
推薦閱讀
-
- 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
- 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
-
- 熱點應用丨MoS的高分辨拉曼及光致發光成像
- 本應用文章展示了RM5顯微拉曼光譜儀如何實現對二維過渡金屬硫屬化合物(2D-TMDs)的高分辨率成像。
-
- 熱點應用丨GaN的拉曼和光致發光表征
- 熱點應用丨GaN的拉曼和光致發光表征
-
- 熱點應用丨OLED的光致發光和電致發光共聚焦成像
- 光致發光和電致發光是有機發光二極管(OLED)視覺顯示發展的重要技術
-
- 熱點應用丨半導體硅片應變的拉曼成像
- 半導體對于現代電子工業來說至關重要。在制造半導體器件時,必須嚴格把控半導體組成材料中的缺陷量。
-
- 熱點應用丨拉曼成像下,蜜蜂與花粉的前世今生
- 花粉研究被稱為孢粉學,它對于了解生態系統很重要,同時也可用于法醫學和考古學。使用拉曼光譜儀,我們可以對單個花粉粒進行成像并識別它們的種類。
-
- 熱點應用丨醫藥領域的拉曼應用實例—乳液
- 乳液是由兩種互不相容的液體(如油和水)混合后形成的一種乳化體系,其中一種液體以小球狀均勻分散于另一種液體中。
-
- 熱點應用丨CVD-WSe2二維材料光電性能表征及探索——寬場、拉曼、PL&SHG成像
- 二維過渡金屬二鹵代化合物是一類具有獨特層數依賴性的光學和電子性質的層狀半導體材料。
-
- 熱點應用丨揭秘碳納米管取向:角分辨偏振拉曼技術應用
- 碳納米管(CNT)是一種由單層或多層石墨烯組成的的圓柱形結構,具有獨特的熱、機械、電子和光學性質
-
- 熱點應用丨金剛石砧極限施壓:拉曼成像與動態發光揭示鹵化物晶體相變密碼
- 熱點應用丨金剛石砧極限施壓:拉曼成像與動態發光揭示鹵化物晶體相變密碼
-
- 熱點應用丨利用顯微光致發光和共振拉曼光譜儀探測CdTe納米級表面粗糙度以優化太陽能電池
- 本文展示了瓜達拉哈拉大學(Universidad de Guadalajara)的研究人員如何利用愛丁堡儀器RM5 顯微共聚焦拉曼光譜儀(集成了光致發光(PL)和拉曼(Raman)光譜功能)來研究CdTe晶圓的納米尺度表面粗糙度。
-
- 研究進展:共焦顯微鏡技術的發展及應用
- 研究進展:共焦顯微鏡技術的發展及應用
-
- 研究進展:共焦顯微鏡技術的發展及應用
- 研究進展:共焦顯微鏡技術的發展及應用
-
- 熱點應用丨雙光子成像——RMS1000共聚焦顯微拉曼光譜儀新功能拓展
- 雙光子顯微是一種成像技術,其中兩個紅外光子被同時吸收以產生更短波長的熒光。
-
- 熱點應用丨拉曼光譜中的光致發光,究竟是“敵”是“友”?
- 在拉曼光譜中,我們通常不希望出現光致發光(PL),也稱為熒光。強烈的光致發光背景會掩蓋拉曼峰,導致一些樣品極難被分析。
-
- 3D共聚焦拉曼成像技術——開啟微觀世界的三維化學視角
- 應用方向:3D共聚焦拉曼成像;組織,細胞,包裹體
-
- 有機太陽能電池光電轉換效率優化機制研究
- 有機太陽能電池因柔性輕量等優勢具廣闊前景,然效率瓶頸待突破。研究借助威尼德 Gene Pulser 630 指數衰減波電穿孔儀,創新引入電脈沖調控活性層形貌,優化材料界面電荷傳輸。
-
- 熱點應用丨納米塑料探測探針的光致發光和拉曼光譜表征
- 本文證明,PCP探針對納米塑料表現出高靈敏度和高選擇性,具有快速響應和出色的穩定性。
-
- Spider2000+便攜式二維拉曼成像光譜儀
- 產品簡介Spider2000+便攜式二維拉曼成像光譜儀采用如海光電自主研發的科研級微型共焦拉曼光譜儀RMS
-
- 熱點應用丨原位顯微拉曼技術下的獨特視角:解開電催化之水裂解的奧秘
- 熱點應用丨原位顯微拉曼技術下的獨特視角:解開電催化之水裂解的奧秘
①本文由儀器網入駐的作者或注冊的會員撰寫并發布,觀點僅代表作者本人,不代表儀器網立場。若內容侵犯到您的合法權益,請及時告訴,我們立即通知作者,并馬上刪除。
②凡本網注明"來源:儀器網"的所有作品,版權均屬于儀器網,轉載時須經本網同意,并請注明儀器網(www.189-cn.com)。
③本網轉載并注明來源的作品,目的在于傳遞更多信息,并不代表本網贊同其觀點或證實其內容的真實性,不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網站或個人從本網轉載時,必須保留本網注明的作品來源,并自負版權等法律責任。
④若本站內容侵犯到您的合法權益,請及時告訴,我們馬上修改或刪除。郵箱:hezou_yiqi
參與評論
登錄后參與評論