آنالیز فوتولومینسانس (PL) و کاربرد آن در سلول‌های خورشیدی

—————————————————————————————————————————————————–

جهت سفارش این آنالیز از سان‌لب با شماره زیر تماس بگیرید:

۰۹۱۹۳۷۰۲۱۳۲

—————————————————————————————————————————————————–

در فرآیند فوتولومینسانس (Photoluminescence) الکترون های ماده مورد نظر با گرفتن انرژی از فوتون‌های تابیده شده به تراز با انرژی بالاتر برانگیخته می‌شوند. حال که الکترون‌ در حالت تهییج شده قرار دارد باید بار دیگر از طریق نشر نور (انرژی فوتون‌ها) به حالت پایه (حالت تعادل خود) برگردد. این نشر به صورت طیفی بر حسب طول موج (به طور معمول از ۴۰۰ تا ۹۰۰ نانومتر) ارائه می‌شود. لازم به ذکر است که در این روش، فوتون‌هایی می‌توانند الکترون‌های نمونه را تهییج کنند که انرژی بالاتری از شکاف انرژی (band gap) داشته باشند. بنابراین، در آنالیز فوتولومینسانس، لیزر و یا لامپی لازم خواهیم داشت که انرژی آن از بندگپ نمونه بیشتر باشد. این آنالیز غیر مخرب است و اغلب برای مشخصه‌یابی الکترونیکی و نوری مواد نیمه‌هادی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شدت و اندازه طیف فوتولومینسانس (PL) نشر شده از نمونه، می‌تواند خواص زیر را از نمونه برای ما آشکار سازد:

– اندازه‌گیری شکاف انرژی (E_g):

توزیع طیفی PL ازیک نیمه هادی می‌تواند اندازه ‌بندگپ آن را برای ما مشخص سازد. در یک سلول خورشیدی، بندگپ یکی از ویژگی‌های اساسی به شمار می‌آید که می‌تواند تعیین کننده‌ی ترکیب و خواص مواد نیمه‌هادی مورد استفاده در آن باشد.

اما اندازه گیری بندگپ با استفاده از طیف PL چطور امکان‌پذیر است؟ همانطور که پیش از این اشاره شد، اگر یک ذره نور (فوتون) دارای انرژی بیشتری از انرژی شکاف باند باشد، در برخورد با ماده جذب الکترون آن شده و از این طریق الکترون را از باند ظرفیت (valence band) تا باند رسانش (conduction band) در طول شکاف انرژی انتقال می‌دهد. در فرآیند تهییج فوتونی، الکترون مقداری انرژی اضافی دارد که در زمان گذار آن‌ را از دست می‌دهد. در نهایت، الکترون بار دیگر به سطح انرژی پایین یعنی به باند ظرفیت برمی‌گردد. زمان بازگشت الکترون از باند رسانش به باند ظرفیت (که این فاصله همان بندگپ ماده است)، انرژی به صورت فوتون لومینسانس از ماده به بیرون نشر پیدا می‌کند. بنابراین، انرژي بندگپ را می‌توان به طور مستقیم از این انرژی فوتون نشر شده بدست آورد.

در کشور ما (بر اساس اطلاعات نویسنده) آنالیز فوتولومینسانس در حالت steady-state در مراکز خدمات آزمایشگاهی مربوطه انجام می‌شود. این آنالیز در مشخصه‌یابی سلول‌های خورشیدی نیز کاربرد وسیعی دارد. برای مثال همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، مقدار E_g را می‌توان از روی طیف فوتولومینسانس بدست آورد و یا با مقایسه طیف نمونه با طیف‌های‌گزارش شده از همان نمونه (در منابع معتبر) از تشکیل شدن ماده‌ی مورد نظر اطمینان حاصل کرد. به عنوان مثال، در سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، اگر در طیف بدست آمده پیکی در محدوده‌ی ۷۵۰ تا ۸۰۰ نانومتر ظاهر شود، می‌توان آن‌ را به تشکیل پروسکایت در سلول نسبت داد.

اما یکی دیگر از کاربردهای این آنالیز در سلول‌های خورشیدی، تشخیص میزان نسبی بازترکیب (recombination) در سلول‌ها است [1]–[3]. در واقع شدت نسبی طیف‌های PL را می‌توان به میزان بازترکیب در سلول‌ها نسبت داد. همچنین، PL حالت Steady State می‌تواند روشی برای اندازه‌گیری انتقال موثر بار برانگیخته شده با فوتون‌ها (photo-induced charge) باشد. اگر از یک سلول خورشیدی پروسکایتی (perovskite solar cell) بدون لایه‌ی انتقال دهنده الکترون یا ETL (glass/perovskite) و یک سلول خورشیدی پروسکایتی با لایه‌ی ETL (TiO₂/perovskite) آنالیز PL بگیریم، شدت طیف PL نمونه بدون ETLاز نمونه ساخته شده با TiO₂ بیشتر خواهد بود. دلیل این امر این است که، انتقال بار (charge transfer) در نمونه‌ی بدون لایه انتقال دهنده الکترون امکان پذیر نخواهد بود و شاهد بازترکیب بارها و بالا رفتن شدت طیف (در جهت محور عمودی) در اثر تابش حاصل از این بازترکیب خواهیم بود. این در حالی است که در نمونه دارای TiO₂، انتقال بار به صورت موثر صورت می‌گیرد، استخراج الکترون از لایه‌ی جاذب بهبود می‌یابد و درنتیجه انتقال بار، قبل از بازترکیب در سطح مشترک، انجام می‌شود. برای مثال، در تحقیقی [4] برای مقایسه دو نوع لایه‌انتقال دهنده حفره (anatase TiO₂ و dense amorphous TiO₂) از آنالیز PL شده است. همانطور که در شکل 1 مشخص است، بیشترین شدت مربوط به نمونه بدون TiO₂ است، که بالاترین بازترکیب را دارد. و بین دو نمونه آناتاز و آمورف TiO₂، نمونه آمورف انتقال بار موثرتر درنتیجه بازترکیب کمتری (شدت کمتر طیف) را نشان داده‌است. نکته‌ی دیگری که در این شکل مشاهده می‌شود، قرار گرفتن پیک نمودارها در محدوده‌ی ۷۷۰ تا ۸۰۰ نانومتر (که پیش‌تر توضیح داده شد) است، که دلیلی بر تشکیل پروسکایت در هر سه نمونه‌ است.

شکل 1 مقایسه نسبی بازترکیب (انتقال بار موثر)‌‌ در نمونه‌های an-TiO₂ و am-TiO₂ [4].

تله‌ها (trap) در لایه‌های فوتوولتاییکی و در فصل مشترک‌ها تاثیر بسزایی در ایجاد تغییرات نامطلوب در خواص و پایداری وسایل فوتولتائیکی، از جمله سلول‌های خورشیدی، دارند. تله‌ها با قرار گرفتن بر سر راه الکترون‌ها، آن‌ها را متوقف کرده و احتمال بازترکیب الکترون را افزایش می‌دهند و از انتقال موثر بار جلوگیری می‌کنند. با استفاده از آنالیز PL می‌توان وجود تله‌ها به علت ناخالصی‌ها (impurity) و یا عیوب (defect) را در سلول‌های خورشیدی مورد بررسی قرار داد. تله‌ها با به دام انداختن الکترون و بازترکیب بارها باعث تغییر در میزان تابش و درنتیجه تغییر شدت در طیف PL می‌شوند (شکل 2).

شکل 2 برانگیختگی الکترون و بازگشت به حالت اولیه در حضور و عدم حضور تله [5].

در یک تحقیق [6]، برای کاهش اثر تله‌ها از یک لایه biopolymer heparin sodium (HS) در فصل مشترک پروسکایت و TiO₂، استفاده شد. برای بررسی اثر این لایه بر روی تله‌ها آنالیز PL نیز به کار گرفته شد. بر اساس نتایج حاصل از این آنالیز شکل 3، میزان بازترکیب در حضور لایه‌ی HS به میزان چشم‌گیری کاهش یافته بود.

شکل 3 طیف فوتولومینسانس steady-state از دو نمونه با و بدون HS، به منظور بررسی اثر HS بر روی تله‌ها [6].

نویسنده:‌سعیده تفضلی

منابع:

[1]      T. H. Gfroerer and D. College, “Photoluminescence in Analysis of Surfaces and Interfaces,” pp. 1–23, 2006.

[2]      J. S. Bhosale, J. E. Moore, X. Wang, P. Bermel, and M. S. Lundstrom, “Steady-state photoluminescent excitation characterization of semiconductor carrier recombination Steady-state photoluminescent excitation characterization of semiconductor carrier recombination,” vol. 013104, 2016.

[3]      X. Wen, R. Sheng, A. W. Y. Ho-baillie, A. Benda, S. Woo, Q. Ma, S. Huang, and M. A. Green, “Morphology and Carrier Extraction Study of Organic − Inorganic Metal Halide Perovskite by One- and Two-Photon Fluorescence Microscopy,” 2014.

[4]      A. Manuscript, “Energy & Environmental Science,” 2015.

[5]      A. A. B. Baloch, F. H. Alharbi, G. Grancini, I. Hossain, M. K. Nazeeruddin, and N. Tabet, “C : Energy Conversion and Storage ; Energy and Charge Transport Analysis of Photocarrier Dynamics at Interfaces in Perovskite Solar Cells by Time Resolved Photoluminescence,” 2018.

[6]      S. You, H. Wang, S. Bi, J. Zhou, L. Qin, X. Qiu, and Z. Zhao, “A Biopolymer Heparin Sodium Interlayer Anchoring TiO 2 and MAPbI 3 Enhances Trap Passivation and Device Stability in Perovskite Solar Cells,” vol. 1706924, no. 19, pp. 1–8, 2018.