探知电池材料的组成分布变化？非接触式亚微米O-PTIR光谱成像技术强助力！

发布日期：2020-06-10

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一直面临着巨大挑战：（1）材料的结构难以确定；（2）理论模型与观测结果始终不一致。因此，寻找可靠、有效的表征手段对于揭示相关机制有着关重要的意义。

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优势。近期，Photothermal Spectroscopy Corp公司研发推出的新一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，使用新一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。进一步使用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一个现象为~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。

图1. O-PTIR观测边缘的MAPbBr3的红外光谱信息。(a)(BA)₂(MA)_n-1 b_n br_3n+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.