X射线光电子能谱仪测定钙钛矿太阳能电池器件

2019-03-04 13:15:05 赛默飞材料表征仪器

摘要：以CH₃NH₃PbI₃为钙钛矿材料制备出的太阳能电池具有优秀的电池转化效率。本文通过ESCALAB Xi⁺仪器对制备得到的钙钛矿太阳能电池器件进行深度剖析，表征元素含量及化学态随材料深度的变化。采用了Ar⁺单粒子模式对该样品进行刻蚀，在分析数据真实性和准确性的同时，探讨该种刻蚀模式对分析此类样品的适用性。

关键词：ESCALAB Xi⁺ 钙钛矿太阳能电池元素化学态深度剖析Ar⁺单粒子模式

近年来，随着能源危机、环境恶化等问题的加剧，太阳能电池以其永久性、清洁性和灵活性受到人们的关注。其中基于有机-无机杂化钙钛矿材料的光伏器件在科研领域中发展迅猛。其吸光能力强、载流子扩散长度大、迁移率高，可调节的禁带宽度、双极特性和载流子束缚激子低，可溶液法制备和成本低等这些特性都表明钙钛矿材料非常适合应用于光伏器件。钙钛矿太阳能电池转化效率不断攀升的同时，有关于材料设计与制备、器件结构优化和机理分析的研究也在不断完善。

本文研究的样品正是以碘化铅甲胺（CH₃NH₃PbI₃）为钙钛矿材料制备的太阳能电池器件。其多层结构包括玻璃、FTO（SnO₂:F）、TiO₂电子传输层（ETM）、CH₃NH₃PbI₃钙钛矿光敏层、Spiro-OMeTAD（2,2'',7,7''-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9''-螺二芴）空穴传输层（HTM）和Au电极。对于该类材料而言，分析各功能层的层间结构有助于指导器件的生长工艺和性能评估。

表面化学分析方法（X-射线光电子能谱等）是分析测量与表征器件表面和界面的一项重要技术手段，应用十分广泛。传统利用XPS进行深度剖析的刻蚀方法是Ar⁺单粒子模式，这种高能量的带电离子，会对部分材料造成较大的损伤，得到不真实的元素化学组成。本文采用了Ar⁺单粒子模式对钙钛矿太阳能电池器件进行深度剖析，探讨该种刻蚀模式对分析此类器件的适用性。

样品为多层结构的太阳能电池器件，以分析表面为正面，从上至下分别为Au、Spiro-OMeTAD、CH₃NH₃PbI₃、TiO₂、FTO、玻璃，如图1所示。需要对样品层结构进行Ar⁺单粒子模式深度剖析，并探讨这种刻蚀模式对分析结果的影响程度及适用性。

图1 样品结构

选择ESCALAB Xi⁺光电子能谱仪进行深度剖析，仪器外观见图2。

本次研究重点在于分析样品随深度的元素含量和化学态变化，并在一定程度上表征各功能层的厚度。全过程采用能量2000eV，束流2.7uA的Ar⁺单粒子模式刻蚀，刻蚀区域大小为2mm*2mm。采谱使用单色化的Al Kα X射线源，能量为1486.68eV，测试束斑为400um。

图2 ESCALAB Xi⁺光电子能谱仪

4.1总体层结构分析

将刻蚀过程中获得的所有元素含量随刻蚀时间变化曲线绘制成图，如图3和图4所示。为了便于识别不同功能层的层间结构，重点讨论部分主要元素的含量变化（图3）。从图3中可以看到：

各层的相对位置与预期一致。
相邻层元素的层间渗透现象明显。
Spiro-OMeTAD层和CH₃NH₃PbI₃层的C元素含量没有明显变化，可能是由于单粒子刻蚀导致有机物结构破坏；CH₃NH₃PbI₃层的Pb和I信号富集在CH₃NH₃PbI₃层和TiO₂的层界面处，可能是单粒子刻蚀模式导致的Pb和I元素向下迁移。无法区分两层有机层的界面。
TiO₂层的Ti信号富集在TiO₂层和FTO层界面处，可能是单粒子刻蚀模式导致Ti元素向下迁移。
F元素从FTO层迁移到有机层，可能是单粒子刻蚀模式导致元素向上迁移。