کاربرد آنالیز AFM در مشخصه‌یابی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی

کاربرد آنالیز AFM در مشخصه‌یابی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی

آنالیز میکروسکوپی AFM (Atomic Force Microscopy) نوعی از آنالیزهای میکروسکوپ‌های پروبی روبشی (Scanning Probe Microscopy) است که تصویربرداری از سطوح با رزولوشن بالا را برای مواد هادی یا غیر هادی ممکن می‌سازد. در این تکنیک نیروی بر هم کنش بین سطح و نوک پایه اندازه‌گیری می‌شود. نیروهای برهم‌کنش نشان‌دهنده اطلاعات فیزیکی از پدیده‌های مختلف بر روی سطح ماده‌ است. برای مثال، خواص مکانیکی، انتقال بار، پراکندگی انرژی و موارد متعدد دیگر.

کاربردهای این آنالیز در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی را می‌توان به چند دسته تقسیم کرد، که در ادامه به توضیح آن‌ها پرداخته می‌شود.

۱- رافنس و مورفولوژی

توپوگرافی سطح در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی (PSC) نقش مهمی را در کارکرد این سلول‌ها (که وابسته به موروفولوژی لایه‌های آن‌ است) ایفا می‌کند. از آنالیز ‌AFM در کنار آنالیزهایی مانند SEM برای بررسی مورفولوژی استفاده می‌شود. در این حالت از آنالیز AFM، یک نقشه با المان ارتفاع بدست می‌آبد که نشان دهنده توپوگرافی سطح است. رافنس سطح در این آنالیز به صورت کمی قابل محاسبه است. دو کمیت مهم که به راحتی برای مقایسه‌ها در سلول‌ها اندازه‌گیری می‌شوند، رافنس (R_a) و مقدار موثر رافنس (root mean square) است.

در تمامی لایه‌های پروسکایت می‌توان رافنس را بررسی کرد. بعد از لایه پروسکایت، لایه انتقال دهنده حفره و یا در سلول‌ها با ساختار p-i-n لایه PCBM باید به طور کامل سطح پروسکایت را بپوشانند. عدم پوشانندگی کامل نشان‌دهنده رافنس بالای لایه‌ پروسکایت بوده و باعث می‌شود که مقاومت شانت با استفاده از این گذرگاه‌های شانتی پایین آید. بنابراین سطح پروسکایت هر چه هموار تر و یکدست‌‌تر باشد (رافنس پایین‌تر) بهتر است (۱).

۲- Work Function Mapping and Hysteresis by Kelvin Probe Force Microscopy

پتانسیل مربوط به نیروی الکترواستاتیکی بین دو سطح یا contact potential difference (CPD) و یا اختلافwork function‌ در دو سطح را می‌توان با KPFM بررسی کرد.  KPFM کاربرد وسیعی در بررسی عملکردهای سلول خورشیدی دارد. این آنالیز همراه با شبیه سازی نقشه توپوگرافی سطوح، نتیجه CPD بین نمونه و tip را با رزولوشن با مقیاس نانو نیز ارائه می‌دهد.

برای مثال افزایش در CPD (در مقیاس ولتاژ )، می‌تواند نشان از حامل‌های بار مثبت (حفره) اضافی باشد. از این موضوع می‌توان نتیجه گرفت که لایه انتقال حفره (برای مثال Spiro-OMeTAD) به اندازه لایه انتقال الکترون (برای مثال TiO₂) عملکرد خوبی نشان نمی‌دهد. همین مورد می‌توان دلیل بازده پایین در یک سلول خورشیدی پروسکایتی باشد. اگر توزیع CPD بعد از تابش به سطح قبلی خود نرسد، می‌توان نتیجه گرفت که حامل‌های بار توسط عیوب به دام (trap) افتاده‌اند. و دلیل هیستریزیس در نمودارهای J-V می‌تواند با استفاده از این آنالیز اثبات شود. از آن‌جایی که CPD نشان دهنده اختلاف work function بین دو لایه است، می‌توان وجود بازترکیب (recombinatin) را بین لایه‌ها برای مثال TiO₂‌ و پروسکایت بدست آورد (۲).

۳- اندازه‌گیری اختلافات جریان و ولتاژ

AFM می‌تواند  نحوه انتقال جریان را در دانه و مرزدانه و اختلاف ولتاژ مدار باز V_{OC ­}را نشان دهد. به عنوان مثال، تصاویر زیر اختلاف V_OC را در مدت زمان معین (۹۶ ثانیه)، که توسط روش KPFM انجام شده، نشان می‌دهد. این اختلاف در زمان‌های مختلف تحت تابش می‌تواند نشان از مهاجرت یونی باشد (۳). 

همچنین با استفاده از Cunductive-AFM می‌توان توزیع جریان را در دانه و مرز دانه مشخص کرد. یک نتیجه جالب بدست آمده از این آنالیز این است که بر خلاف تصور، مرز دانه‌ها محلی برای عبور جریان هستند نه محلی برای بازترکیب. نمونه‌ای از نتیجه بدست آمده از این آنالیز به صورت تصویر جریان از سطح سلول FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/MAPbI₃ در تصویر آخر مشخص است (۴).

[1]      H. Zhang, Y. Wang, H. Wang, M. Ma, S. Dong, and Q. Xu, “Influence of drying temperature on morphology of MAPbI3 thin films and the performance of solar cells,” J. Alloys Compd., vol. 773, pp. 511–518, 2019.

[2]      V. W. Bergmann, S. A. L. Weber, F. J. Ramos, M. K. Nazeeruddin, M. Grätzel, D. Li, A. L. Domanski, I. Lieberwirth, S. Ahmad, and R. Berger, “Real-space observation of unbalanced charge distribution inside a perovskite-sensitized solar cell,” Nat. Commun., vol. 5, p. 5001, 2014.

[3]      J. L. Garrett, E. M. Tennyson, M. Hu, J. Huang, J. N. Munday, and M. S. Leite, “Real-time nanoscale open-circuit voltage dynamics of perovskite solar cells,” Nano Lett., vol. 17, no. 4, pp. 2554–2560, 2017.

[4]      Y. Kutes, Y. Zhou, J. L. Bosse, J. Steffes, N. P. Padture, and B. D. Huey, “Mapping the photoresponse of CH3NH3PbI3 hybrid perovskite thin films at the nanoscale,” Nano Lett., vol. 16, no. 6, pp. 3434–3441, 2016.

نویسنده: سعیده تفضلی