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物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (10): 1934-1943    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201715185
专论     
利用扫描开尔文探针显微镜观察薄膜光电器件能级排布
刘继翀1,2,唐峰1,2,叶枫叶1,3,陈琪1,*(),陈立桅1,*()
1 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所国际实验室,中国科学院纳米科学卓越中心,江苏苏州215123
2 中国科学院大学,北京100049
3 中国科学技术大学化学系,合肥230026
Visualization of Energy Band Alignment in Thin-Film Optoelectronic Devices with Scanning Kelvin Probe Microscopy
Ji-Chong LIU1,2,Feng TANG1,2,Feng-Ye YE1,3,Qi CHEN1,*(),Li-Wei CHEN1,*()
1 i-Lab, CAS Center for Excellence in Nanoscience, Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215123, Jiangsu Province, P. R. China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
3 Department of Chemistry, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, P. R. China
 全文: PDF(2030 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

薄膜光电器件的能级结构直接决定了载流子的产生、分离、传输、复合和收集等微观动力学过程,从而决定了器件性能。因此准确获取器件能级结构,是深入理解器件工作机制、推动器件技术革新的重要科学依据。此专论系统地介绍了本课题组利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)表征薄膜光电器件如有机太阳能电池、有机-无机钙钛矿光探测器等器件中界面能级结构的工作。垂直型薄膜器件中的活性材料层被顶电极与底电极封闭,通常难以直接在器件工况下测量其中的界面能级排布,我们发展了横截面SKPM技术来解决这一难题。研究表明,界面层是调控器件能级结构、决定器件极性、提高器件性能的重要手段。本文介绍的表征技术有望在各种薄膜光电器件,诸如光伏器件、光探测器、发光二极管,尤其是各种叠层构型器件的研究中展现出广阔的应用前景。

关键词: 扫描开尔文探针显微镜能级排布横截面界面层有机太阳能电池有机-无机钙钛矿光探测器    
Abstract:

Understanding the energy band alignment across multiple layers in thin-film optoelectronic devices is extremely important because it governs elementary optoelectronic processes, such as charge carrier generation, separation, transport, recombination and collection. This monograph summarizes recent progress in visualization of energy band alignment in thin-film optoelectronic devices, such as organic solar cells (OSCs) and organic-inorganic perovskite photodetectors from our group by using scanning Kelvin probe microscopy (SKPM). Since active layers are enclosed by the top and bottom electrodes in vertically stacked devices, it is highly challenging to study the energy band alignment under operando conditions. Thus, cross-sectional SKPM has been developed to resolve this challenge. The results demonstrated that the interlayer was one of the most important factors for adjusting energy band alignment, determining device polarity and improving device performance. The characterization methods described in this monograph are poised to be widely applied to research in various thin-film optoelectronic devices, such as photovoltaic devices, photodetectors and light-emitting diodes (LEDs), especially those devices with tandem structures.

Key words: Scanning Kelvin probe microscopy    Energy band alignment    Cross-section    Interlayer Organic solar cells    Organic-inorganic perovskite photodetectors
收稿日期: 2017-04-13 出版日期: 2017-05-18
中图分类号:  O647  
基金资助: 国家自然科学基金(21625304);国家自然科学基金(51473184);国家自然科学基金(11504408);中国科学技术部重点研发计划(2016YFA0200703);中国科学院科研装备研制项目(YZ201654)
通讯作者: 陈琪,陈立桅     E-mail: qchen2011@sinano.ac.cn;lwchen2008@sinano.ac.cn
作者简介: 刘继翀,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所化学与材料工程专业硕士研究生。研究课题为钙钛矿太阳能电池铅离子替换掺杂|唐峰,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所微电子与固体电子学专业博士研究生。研究兴趣包括有机太阳能电池,钙钛矿光电探测器,器件界面及其能级|叶枫叶,中国科学技术大学化学与材料科学学院化学系博士研究生。研究兴趣包括钙钛矿型太阳能电池中的阳离子取代,有机光伏器件界面AFM表征|陈琪,博士,助理研究员,2014年6月获中国科学技术大学博士学位。2014年8月–2017年2月在中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所作博士后研究;期间于2016年2月–2017年2月赴美国华盛顿大学作合作研究。研究方向为薄膜光电器件界面的扫描探针显微镜研究|陈立桅,博士,中国科学院“百人计划”研究员,2016年获国家自然科学基金委杰出青年科学基金资助。2001年获美国哈佛大学化学系物理化学博士学位。研究方向为能源器件与表界面研究。多年从事扫描探针技术研发,尤其致力于实际体系中的表、界面功能化成像研究
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刘继翀
唐峰
叶枫叶
陈琪
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引用本文:

刘继翀,唐峰,叶枫叶,陈琪,陈立桅. 利用扫描开尔文探针显微镜观察薄膜光电器件能级排布[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 1934-1943, 10.3866/PKU.WHXB201715185

Ji-Chong LIU,Feng TANG,Feng-Ye YE,Qi CHEN,Li-Wei CHEN. Visualization of Energy Band Alignment in Thin-Film Optoelectronic Devices with Scanning Kelvin Probe Microscopy. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(10): 1934-1943, 10.3866/PKU.WHXB201715185.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201715185        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I10/1934

图1  扫描开尔文探针显微镜工作原理图
图2  扫描开尔文探针显微镜测量PFN界面层/活性层界面19
图3  扫描开尔文探针显微镜测量K2CO3界面层修饰的ITO 26
图4  扫描开尔文探针显微镜测量PMMA : PCBM混合界面层34
图5  有机太阳能电池横截面制样和扫描40
图6  SKPM测量传统结构有机太阳能电池能级排布40
图7  利用偏压补偿法定量测量传统结构有机太阳能电池能级差40
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