掃描電鏡在鈣鈦礦太陽能電池中的應用
隨著太陽能電池研發制備技術的升級，全固態鈣鈦礦太陽能電池因资本低、光電轉換效率高，成為光伏領域的查究熱點。比拟于前幾代光電轉換原料，鈣鈦礦原料兼具了高效率和低资本制備的優勢，未來發展潛能巨大。掃描電鏡作為一種運用廣泛的微區分析產品，常用于查看各種固態物質外表的微結構和組成成分，尤其對于觀察鈣鈦礦薄膜覆蓋率和外表平坦度、晶體質量等有巨大的幫助，是測量薄膜厚度最直接的方式之一。本文從鈣鈦礦的基本概念及工作真理、KYKY場發射槍掃描電鏡在鈣鈦礦太陽能電池中的應用兩個目标來對PSCs進行介紹。
鈣鈦礦的基本概念及工作原理
PSCs的器件結構具體包括透明導電氧化物底電極「如FTO 和ITO」、電子傳輸層ETL「如TiO2，SnO2，ZnO，C60 等」、鈣鈦礦吸光層「如MAPbI3, FAPbI3, CsPbI3 等」、空穴傳輸層HTL「如Spiro-MeOTAD, PTAA, P3HT,CuSCN, CuPc 等」、頂電極「Au，Ag，Cu，碳质料等」組成。
狹義的鈣鈦礦指一類被發現由鈦酸鈣組成的氧化鈣鈦礦物。而廣義的鈣鈦礦是指與鈣鈦礦晶體結構相似的化合物，其結構通式為ABX3。其中，A為陽離子，若有機陽離子甲胺「CH3NH3+，MA+」、甲脒「HC「NH2」2+，FA+」，金屬陽離子銫「Cs+」、銣「Rb+」等；B一般為二價金屬陽離子，如鉛離子「Pb2+」、錫離子「Sn2+」；X 為鹵素陰離子，如氯離子「Cl–」、溴離子「Br-」、碘離子「I-」。6 個鹵素陰離子X-與一個金屬離子M2+形成1 個八面體[MX6]4–，M2+位于八面體[MX6]4-的中心地点，X-位于八面體[MX6]4–的頂點處，并與相鄰的八面體共用頂點擴展形成三維空間結構，A+位于4 個八面體形成的中心。通過調整A、B 和X 含量能够獲得区别組分鈣鈦礦资料，對應鈣鈦礦资料的帶隙及能級分布也各不相同，通過對鈣鈦礦進行組分調控，可實現帶隙連續調控，這決定了鈣鈦礦能够廣泛應用在發光、光伏、光探等領域。
圖1 鈣鈦礦太陽能電池的工作原理
當某些物質在高于某個特定頻率的電磁波照射下，價電子受輻射后脫離原子核束縛成為解放電子。進一步解放電荷的漫衍會導致電勢差，這種現象叫做光生伏特效應。當光照在鈣鈦礦质料上，太陽光強度其禁帶寬度時，鈣鈦礦吸收光子產生電子–空穴對，被激發的電子從價帶躍遷到導帶上，流向電子傳輸層，空穴則流向另一，变成回路電流。
掃描電鏡在鈣鈦礦太陽能電池中的應用
鈣鈦礦吸光層是鈣鈦礦太陽能電池中吸收太陽光、產生光電子的活性质料，现在成熟的鈣鈦礦质料是碘化鉛甲胺。现在研究最多的為甲胺鉛鹵化物「MAPbX3」、甲脒鉛鹵化物「FAPbX3」、銫鉛鹵化物「CsPbX3」和銫錫鹵化物「CsSnX3」及它們的混合型鈣鈦礦质料。
鈣鈦礦吸光層薄膜是一種含有眾多晶界的復雜多晶资料，理想晶體結構中的每個原子有自身相應的地方，而實際的晶體結構會受到晶體生長及其后處理過程的影響而產生瑕疵。晶體結構錯位的形成主要就是因为晶界的存在。溶液法制備的鈣鈦礦薄膜外观主要就是反位、空位、間隙這三種點瑕疵。鈣鈦礦薄膜中的瑕疵會捕獲自由電荷，這會影響PSCs 的光伏本能机能參數，于是必要鈍化擴展瑕疵以阻礙它們的遷移路徑。
鈣鈦礦層作為吸光活性層對器件职能起著至關重要的功效，其缺陷水平、形貌和晶體質量是影響器件光電职能的兩個重要成分。結晶性高、晶粒尺寸大、晶界窄、孔洞少的鈣鈦礦不光能夠減少缺陷態，降低電子-空穴對的復合，并且能夠提高對太陽光的吸收使用率，從而提高器件的光電职能。
掃描電鏡是一種常用的质料微觀形貌表征設備，可達到幾十萬倍的放大倍數，以二次電子為觀察介質可以實現低于1 nm的極限分辨率。SEM 具有較大的視場深度和視野，圖像富裕感，可以直接觀察各種種類的樣品。且樣品制備簡捷，一般通過導電膠帶粘貼到樣品基盤上，通過噴金幾秒鐘添加樣品導電性可以直接放到電鏡下觀察。
SEM作為一種作為一種常用的顯微解析產品，在鈣鈦礦薄膜的表征中起著至關重要的功效。SEM 不妨用于觀察鈣鈦礦的外观形貌，覆蓋率和各層的厚度。SEM觀察鈣鈦礦薄膜的外观不妨鑒別其覆蓋性是否良好，是否有孔洞的存在。薄膜孔洞的存在會產生漏電流，導致器件的電流和電壓降低，從而降低整個器件的光伏性能。SEM 截面圖不妨很好的觀測到各層薄膜的厚度同時能觀察到晶粒尺寸以及各層之間的接觸是否良好。
SEM可以觀測鈣鈦礦的晶粒巨细、晶體瑕疵及形貌。當鈣鈦礦薄膜晶粒尺寸小，孔洞多，且具有明顯的晶界時，這些特点瑕疵多，易加劇載流子的復合，導致電池职能下落。其它，晶界和孔洞使得鈣鈦礦薄膜容易遭受空氣中水汽、氧氣的破壞，使器件穩定性下落。鈣鈦礦晶粒的巨细直接決定了薄膜中晶界的數量，所以增大晶粒尺寸是提高器件职能的一種灵验途徑。結晶性好、晶粒尺寸大的鈣鈦礦薄膜能夠減少晶界和界面間光生的載流子非輻射復合，有利于提高器件的光電职能。
下面幾組圖片為KYKY-EM8100場發射槍掃描電鏡拍攝的鈣鈦礦電池的截面和外观圖片。KYKY-EM8100具有0.9nm@30kV的超高分辨率，超大景深，不妨清晰地觀察到鈣鈦礦晶粒的巨细及形貌，晶界及孔洞的巨细及分布，截面的分層情況。
圖2 鈣鈦礦截面
上圖為鈣鈦礦薄膜的截面圖，圖中可能很好的觀察到兩層薄膜的存在，此中上層為鈣鈦礦薄膜，下層為FTO 薄膜。可能觀察到層與層之間的接觸十分良好。
圖3 鈣鈦礦表面放大10K倍
圖4 鈣鈦礦表面放大20K倍
圖5鈣鈦礦表面放大50K倍
上圖為分歧放大倍數下鈣鈦礦薄膜的表面結構。從圖中可以看出薄膜的覆蓋率良好，晶體的結晶性良好，晶粒尺寸較大，為致密均勻，不存在大的縫隙。這有利于提高器件的光電性能。
KYKY-EM8100場發射槍掃描電鏡突破了高分辨電子光學成像系統設計、場發射槍工程化設計制造、電子束加速鏡筒設計制造等多項關鍵技術，團隊胜利開發出具有自主知識產權的肖特基場發射槍掃描電子顯微鏡，分辨率指標分別達到和優于3nm@1kV和0.9nm@30kV，達到國際一流水平，極大促進了我國電子光學儀器產業的發展，使我國掃描電鏡實現臺階式飛，有效解決當前“卡脖子”問題，打破了國外產品壟斷场面，促進國家、民族工業發展，極大推動和提高我國前沿科學考究、重大工程和戰略型新興產業高端裝備的國產化和自主化水平。
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