SPM测出太阳能电池的杂质分布

　　光伏产业正在持续努力利用聚合体制作太阳能电池，因为聚合体不仅能够在室温下和普通环境条件中进行加工，而且可以应用比硅加工相对便宜的加工工艺，如各种印刷技术。不过，要尽可能获得最大的效率，仅获得化学品和这些不同材料的化学组分是不够的，在应用这些材料制作电池前，还应尽可能多地理解它们的微结构。


　　华盛顿大学化学系的David Ginger教授及其学生们一直在研究这个课题，利用扫描探针显微镜（SPM）来研究微结构。Ginger介绍：“我们的想法是看看利用这种水平的分辨率，能否测试PV和更基本的电子属性。我们可能找出限制其性能的地方以及如何提高性能。”





　　其中有段时间，Ginger和其团队利用不同的（SPM）――从静电力显微镜（EFM）到导电的原子力显微镜（c-AFM）――来开发太阳能电池中光电流分布图，使能够确定光电流起源区域的大小和种类。“这只是第一步，获取更细微的图片。”Ginger说，“我们不只是希望了解光电流的来源，还想找出电荷生成的地方，它们在哪里复合，以及在极不均匀薄膜的不同区域中电荷传输的差异。我们想努力找出传输差异。”


　　问题是如何解释数据方面存在量化问题。几位研 究者以前尝试过解释，称若采用SPM技术来测量带电载流子的迁移率，很快就能认识到SPM获得的数据可以比真实数据高了两个数量级之多。Ginger领导的小组一直在努力攻克这个难题，确定是否可能利用这种方法获得定量测量结果，而不仅是定性结果。“这些材料中已知的迁移率数值和扫描探针测试结果存在两个数量级的差别，这个事实使得我们在采用该技术前有几分犹豫。”Ginger说，“因为即使它能给出相对值，但你会想知道它是否有那么精确，因为它比你想象的结果大了那么多。”


　　研究人员们假设差异主要在于试验的电极形状。进行数值计算验证可能性和通过试验在数值模拟结果间进行比较后，人们发现，确实大多数扰动可以归因于导电的AFM试验中的超尖针面形状与平面形状的对比，体光电测试采用平面形状。“比较这两者，可以知道必须根据薄膜厚度和针尖的直径，缩小实验导电AFM的结果。”Ginger说，“考虑这两个因素，采用不同针尖测得不同薄膜上迁移率数值的可导性AFM数据，再将这些数据的全部散点图连成一条光滑的线条，该线条与基本的薄膜性质一致。”


　　这个突破让这个团队获知为何不同针尖对某个薄膜的测量结果不同，以及为何此薄膜会给出与其它薄膜不同的值。现在可能获得合理的载流子迁移率，使得利用这种技术获取不均匀薄膜中不同区域处迁移率的定量变化。下一步是利用该技术及其结果来表征局部变化，因为现在已经知道这种技术能给出正确的定量结果。


　　理解这些局部运输扰动，可以将其与器件内部性能变化联系起来，并可能更理性地优化薄膜加工，以某种无目的的风格加工。“试用不同溶剂、不同加热条件、不同时间和不同温度下的各种退火，可以知道会影响薄膜的质地和微结构形貌。”Ginger表示，“不过，我们真的希望将其与局部空穴迁移率的变化联系起来。”


　　研究人员希望以后将这些运输测量结果与载流子产生及载流子捕获和复合的局部测量结果联系起来。一旦获得了这些结果，就有可能获得这些纳米结构有机太阳能电池工作原理的真正显微图像。这会将现在还是艺术的东西转变成技术。当然，总体目标是真正开发可吸收更宽范围的太阳能频谱和更稳定的新型聚合体；具有更佳能级对准的材料，从吸收的光子中获得电压而不会浪费。但是，在有机电子和聚合体光伏领域还存在许多明显的基本研究和技术方面如加工和表征的挑战。


　　UW的研究人员们清楚所需要完成的工作。但正如Ginger说的“说起来容易做起来难”。