时间分辨阴荧光分析系统助力CdTe光电薄膜晶界空穴行为分析研究

CdTe薄膜太阳能电池由于高能量效率获得科学家广泛的关注，目前共焦显微荧光光谱经常被用于研究CdTe薄膜高转换效率载流子机制。然而时间分辨的共焦显微荧光方法由于其微米级的空间分辨率，不能完全认为CdTe薄膜晶界产生的长寿命缺陷是由于氯掺杂钝化成深度重组能级造成的。英国Durham大学Mendis教授联手利物浦大学，利用高空间分辨、能量分辨和时间分辨的阴荧光方法，表征了电子和空穴在CdTe境界的传输和空穴在晶界缺陷的长寿命束缚行为。 

图1 CdTe薄膜在12K温度下阴荧光光谱

Mendis教授研究组借助瑞士attolight公司生产的Alalin Chronos 4027系统，CdTe薄膜晶粒中和晶界处激子，缺陷发光行为进行表征。这套分析系统兼具连续阴荧光谱采集和皮秒时间分辨阴荧光谱采集功能，低工作温度4K，空间分辨率好于10nm。研究的样品是采用磁控溅射方法制备而得的CdTe薄膜，理论上该材料能实现28%的光电转换效率，在太阳能电池领域有广泛的应用。 

图2 12K低温下脉冲激发CdTe薄膜得到的时间分辨的荧光光谱，a  晶粒G1和晶界GB的时间积分

荧光光谱；b 中性受主束缚激子发光eA0 和c 施主受主对跃迁发光的时间寿命 

Mendis教授利用Alalin Chronos 4027系统对CdTe薄膜晶粒进行阴荧光光谱探测，首先采用连续模式得到的是样品128×128pixel的高光谱数据（图1a，图像上每个像素点都有光谱信息）以及对应晶粒和晶界的荧光光谱（图1b），在图1a的高光谱数据中分离出受主束缚激子发光波长（A0X，图1c）；自由电子受主缺陷发光（eA0图1d）；施主受主对发光（DAP图1e）。分析得知受主缺陷在样品晶界处分布较多。切换至脉冲模式进一步研究，得知晶界缺陷态具有较长的荧光寿命（图2），进一步阐释了CdTe薄膜中，晶界晶粒间的载流子动力学问题。（B. G. Mendis，Long Lifetime Hole Traps at Grain Boundaries in CdTe Thin-Film Photovoltaics，Phys. Rev. Lett. 2015, 115, 218701）