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探知电池材料的组成分布变化?非接触式亚微米红外光谱成像技术强助力!

发布时间: 2020-06-19  点击次数: 279次

    低能量边缘光致发光的研究对提高Ruddlesden-Popper钙钛矿太阳能电池效率有着十分重要的影响和意义。然而对其机制的研究却直面临着巨大挑战:(1)材料的结构难以确定;(2)理论模型与观测结果始终不致。因此,寻找可靠、有效的表征手段对于揭示相关机制有着至关重要的意义。

    红外光谱对于有机物的变化十分敏感,在有效探知电池材料的分布变化方面具有天然的势。近期,Photothermal Spectroscopy Corp公司研发推出的新代的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统-mIRage在此研究中脱颖而出,该技术采用激光探针,能够对样品的表面实行非接触式光热红外探测,具备亚微米的空间分辨率并且无边缘散射问题。

    近日,电子科技大学王志明教授课题组与Photothermal Spectroscopy Corp公司合作,使用新代的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统-mIRage研究MAPbBr3在(BA)2(MA)2Pb3Br板边缘的分布情况。在此项研究中,所测试的(BA)2(MA)2Pb3Br10和MAPbBr3之间缺少BA,使其红外光谱有显著差异;同时无论是BA缺陷,还是BA对MA的比例都已有使用FTIR光谱研究的报道,因此具备良好的实验基础。进步使用O-PTIR技术进行非接触式探测,有效避免了样品高度,探针污染所带来的问题,使得结果更加精准。

    通过使用mIRage的测量(图1),能够观测到随着BA含量的降低,~1580 cm-1处的峰相对强度减小,峰值伴随着向1585 cm-1的峰值偏移。这主要是由于(BA)2(MA)2Pb3Br10在1580 cm-1附近有两个涉及NH3振动的红外吸收带:分别为1575 cm-1处(BA+)和1585 cm-1处(MA+)。当BA含量降低时,1575 cm-1处的带强度降低,导致峰值强度在约1580 cm-1处降低,并伴随向1585 cm-1偏移。在测试中观测到的另外个现象为~1480 cm-1与~1580 cm-1的相对强度比增大,这是由于1478 cm-1的振动(CH3振动)仅与MA+相关,因此~1480 cm-1的强度没有变化,而1580 cm-1却由于BA含量降低而降低,导致比值的降低。上述结果清晰地显示了MAPbBr3在(BA)2(MA)2Pb3Br板边缘的组成分布情况。由此可见,mIRage 的O-PTIR技术在电池低能量边缘光致发光的研究中有十分理想的效果,应用前景广阔。

图1. O-PTIR观测边缘的MAPbBr3的红外光谱信息。(a)(BA)2(MA)n-1 bn br3n+1(n = 1,2,3,∞)钙钛矿的红外光谱。(b-c)(BA)2(MA)2Pb3Br10和MAPbBr3的中MA+分子在1480 cm-1 (b)和BA+分子 1580 cm-1 (c)的图谱;(d) (BA)2(MA)2Pb3Br10的PL图像。(e)在(d)中所示的中心区域和边缘的红外光谱图

参考文献:

[1] Zhaojun Qin, Shenyu Dai et al., Spontaneous Formation of 2D/3D Heterostructures on the Edges of 2D Ruddlesden-Popper Hybrid Perovskite Crystals, Chemistry of Materials, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c00419.

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