半導體和鈣鈦礦材料的高光譜（顯微）成像

半導體和鈣鈦礦材料的高光譜（顯微）成像目前在光伏業(yè)界，正在進行一項重大努力，以提高光伏和發(fā)光應用中所用半導體的效率并降低相關成本。這就需要探索和開發(fā)新的制造和合成方法，以獲得更均勻、缺陷更少的材料。無論是電致還是光致發(fā)光，都是實現(xiàn)這一目標的重要工具。通過發(fā)光可以深入了解薄膜內(nèi)部發(fā)生的重組過程，而無需通過對完整器件的多層電荷提取來解決復雜問題。HERA高光譜照相機是繪制半導體光譜成像的理想設備，因為它能夠快速、定量地繪制半導體發(fā)射光譜圖，且具有高空間分辨率和高光譜分辨率的特性。硅太陽能電池的電致發(fā)光光譜成像光伏設備中的缺陷會導致光伏產(chǎn)生的載流子發(fā)生重組，阻礙其提取并降低電池效率。電致發(fā)光光譜成像可以揭示這些有害缺陷的位置和性質(zhì)。"反向"驅(qū)動太陽能電池（即施加電流）會產(chǎn)生電致發(fā)光，因為載流子在電極上被注入并在有源層中重新結(jié)合。在理想的電池中，所有載流子都會發(fā)生帶間重組，這在硅中會產(chǎn)生1100nm附近的光（效率非常低）。然而，晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷會產(chǎn)生其他不利的重組途徑。雖然這些過程通常被稱為"非輻射"重組，但偶爾也會產(chǎn)生光子，其能量通常低于帶間發(fā)射。捕獲這些非常罕見的光子可以了解缺陷的能量和分布。在本實驗中，我們使用了HERASWIR(900-1700nm)，它非常適合測量硅發(fā)光衰減。測量裝置如圖1所示：HERA安裝在三腳架上，在太陽能電池上方，連接到一個10A的電源。640×512像素的傳感器安裝在樣品上方75厘米處，空間分辨率約為250微米。圖1.實驗裝置最重要的是，HERA光學系統(tǒng)沒有輸入狹縫，因此光通量非常高，是測量極微弱光發(fā)射的理想選擇。圖2.A和2.B顯示了兩個波長的電致發(fā)光（EL）圖像：1150nm（帶間發(fā)射）和1600nm（缺陷發(fā)射），這是4次掃描的平均值（總采集時間：5分鐘）。通過分析這些圖像，我們可以看到，盡管缺陷區(qū)域的亮度遠低于主發(fā)射區(qū)域，但它們?nèi)员磺逦胤直娉鰜?。此外，具有強缺陷發(fā)射的區(qū)域的帶間發(fā)射相對較弱。我們可以注意到有幾個區(qū)域在兩個波長下都是很暗的；這可能是由于樣品在運輸過程中損壞了電池造成的。圖2.C中以對數(shù)標尺顯示了小方塊感興趣區(qū)域（圖2A和2B中所示）的光譜。圖2.A和B：兩個選定波長（1150nm和1600nm）的電致發(fā)光（EL）圖像。C：A和B中三個不同區(qū)域?qū)碾娭掳l(fā)光光譜（圖像中的彩色方框）。金屬鹵化物鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光顯微研究通過旋涂等技術含量低、成本效益高的方法，可以制造出非常高效的太陽能電池和LED。這些方法面臨的一個挑戰(zhàn)是在微觀長度的尺度上保持均勻的成分。光致發(fā)光顯微鏡是表征這種不均勻性的一個特別強大的工具。HERA高光譜相機可以連接到任何顯微鏡（正置或倒置）的c-mount相機端口，并直接開始采集高光譜數(shù)據(jù)，無需任何校準程序。圖3.與尼康LV100直立顯微鏡連接的HERAVIS-NIR。在本實驗中，我們使用HERAVIS-NIR（400-1000nm）耦合到尼康LV100直立顯微鏡（圖3）來表征兩種鹵化物前驅(qū)體合金的帶隙分布。將兩種鹵化物前驅(qū)體合金化的優(yōu)點是能夠調(diào)整材料的帶隙；然而，這兩種成分經(jīng)常會發(fā)生逆混合，從而導致性能損失。本實驗的目的是檢測這種逆混合現(xiàn)象：事實上，混合比的局部變化會改變局部帶隙，從而導致發(fā)射不同能量的光子。在這種配置中，激發(fā)光來自汞燈，通過帶通濾光片在350nm處進行濾光，并通過發(fā)射路徑上的二向色鏡將其從相機中濾除。HERA的高通量使其能夠在大約1分鐘的測量時間內(nèi)收集完整的數(shù)據(jù)立方體（130萬個光譜）。圖4.樣品的光譜綜合強度圖（A：全尺寸；B：放大）。圖4.A和4.B分別顯示了所有波長（400-1000nm）總集成信號的全尺寸和放大圖像，揭示了長度尺度在1μm左右的明亮特征。當我們比較亮區(qū)和暗區(qū)的光譜時（圖5.B中的黑色和紅色曲線），我們發(fā)現(xiàn)暗區(qū)實際上也有發(fā)射，不僅強度較低，而且波長中心比亮區(qū)短。事實上，光譜具有雙峰形狀，很可能與逆混合前驅(qū)體的發(fā)射相對應。圖5.A的發(fā)射圖清楚地顯示了帶隙的這種變化。我們現(xiàn)在可