半导体和钙钛矿材料的高光谱（显微）成像

半导体和钙钛矿材料的高光谱（显微）成像目前在光伏业界，正在进行一项重大努力，以提高光伏和发光应用中所用半导体的效率并降低相关成本。这就需要探索和开发新的制造和合成方法，以获得更均匀、缺陷更少的材料。无论是电致还是光致发光，都是实现这一目标的重要工具。通过发光可以深入了解薄膜内部发生的重组过程，而无需通过对完整器件的多层电荷提取来解决复杂问题。HERA高光谱照相机是绘制半导体光谱成像的理想设备，因为它能够快速、定量地绘制半导体发射光谱图，且具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特性。硅太阳能电池的电致发光光谱成像光伏设备中的缺陷会导致光伏产生的载流子发生重组，阻碍其提取并降低电池效率。电致发光光谱成像可以揭示这些有害缺陷的位置和性质。"反向"驱动太阳能电池（即施加电流）会产生电致发光，因为载流子在电极上被注入并在有源层中重新结合。在理想的电池中，所有载流子都会发生带间重组，这在硅中会产生1100nm附近的光（效率非常低）。然而，晶体结构中的缺陷会产生其他不利的重组途径。虽然这些过程通常被称为"非辐射"重组，但偶尔也会产生光子，其能量通常低于带间发射。捕获这些非常罕见的光子可以了解缺陷的能量和分布。在本实验中，我们使用了HERASWIR(900-1700nm)，它非常适合测量硅发光衰减。测量装置如图1所示：HERA安装在三脚架上，在太阳能电池上方，连接到一个10A的电源。640×512像素的传感器安装在样品上方75厘米处，空间分辨率约为250微米。图1.实验装置最重要的是，HERA光学系统没有输入狭缝，因此光通量非常高，是测量极微弱光发射的理想选择。图2.A和2.B显示了两个波长的电致发光（EL）图像：1150nm（带间发射）和1600nm（缺陷发射），这是4次扫描的平均值（总采集时间：5分钟）。通过分析这些图像，我们可以看到，尽管缺陷区域的亮度远低于主发射区域，但它们仍被清晰地分辨出来。此外，具有强缺陷发射的区域的带间发射相对较弱。我们可以注意到有几个区域在两个波长下都是很暗的；这可能是由于样品在运输过程中损坏了电池造成的。图2.C中以对数标尺显示了小方块感兴趣区域（图2A和2B中所示）的光谱。图2.A和B：两个选定波长（1150nm和1600nm）的电致发光（EL）图像。C：A和B中三个不同区域对应的电致发光光谱（图像中的彩色方框）。金属卤化物钙钛矿薄膜的光致发光显微研究通过旋涂等技术含量低、成本效益高的方法，可以制造出非常高效的太阳能电池和LED。这些方法面临的一个挑战是在微观长度的尺度上保持均匀的成分。光致发光显微镜是表征这种不均匀性的一个特别强大的工具。HERA高光谱相机可以连接到任何显微镜（正置或倒置）的c-mount相机端口，并直接开始采集高光谱数据，无需任何校准程序。图3.与尼康LV100直立显微镜连接的HERAVIS-NIR。在本实验中，我们使用HERAVIS-NIR（400-1000nm）耦合到尼康LV100直立显微镜（图3）来表征两种卤化物前驱体合金的带隙分布。将两种卤化物前驱体合金化的优点是能够调整材料的带隙；然而，这两种成分经常会发生逆混合，从而导致性能损失。本实验的目的是检测这种逆混合现象：事实上，混合比的局部变化会改变局部带隙，从而导致发射不同能量的光子。在这种配置中，激发光来自汞灯，通过带通滤光片在350nm处进行滤光，并通过发射路径上的二向色镜将其从相机中滤除。HERA的高通量使其能够在大约1分钟的测量时间内收集完整的数据立方体（130万个光谱）。图4.样品的光谱综合强度图（A：全尺寸；B：放大）。图4.A和4.B分别显示了所有波长（400-1000nm）总集成信号的全尺寸和放大图像，揭示了长度尺度在1µm左右的明亮特征。当我们比较亮区和暗区的光谱时（图5.B中的黑色和红色曲线），我们发现暗区实际上也有发射，不仅强度较低，而且波长中心比亮区短。事实上，光谱具有双峰形状，很可能与逆混合前驱体的发射相对应。图5.A的发射图清楚地显示了带隙的这种变化。我们现在可