钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术,具备低成本、可柔性、制备简单等优势,目前实验室光电转换效率(PCE)已突破 26%,成为下一代太阳能电池的核心研究方向。
电子传输层是电池器件中的重要组成部分,SnO₂为当前较优电子传输层材料之一,相较传统 TiO₂,SnO₂具有高电子迁移率、能带匹配性好、低温制备(<150℃)、光稳定性佳等优势,可见光透过率 > 80%,带隙 3.6-4.5 eV。
图1. SnO₂电子传输层在钙钛矿电池中的结构定位
SnO₂电子传输层的制备方法分为化学法和物理法两大类,主要包括旋涂法、化学浴沉积(CBD)、原子层沉积(ALD)、磁控溅射等方法。其中,ALD有着薄膜致密、缺陷少、均匀性较佳等优势,应用于高性能小面积器件及叠层电池的制备。
准确测量SnO₂电子传输层的膜厚,对钙钛矿叠层电池的研发及设计起到重要作用。用台阶仪测试SnO₂膜厚,易划伤薄膜,且超薄膜的测量误差大;用扫描电镜(eg. SEM)测试SnO₂膜厚,需要破坏样件、测量速度慢且成本高。与其他膜厚测量手段相比,椭偏仪具有非破坏性、测量精度高和测量速度快等优点。
对ALD工艺制备的SnO₂薄膜,SE-VM高精度椭偏仪可精确测量薄膜单点的膜厚以及光学常数nk;ME-Mapping高精度椭偏仪在SE-VM的基础上,可以快速而准确测量并输出薄膜的膜厚、光学常数nk的均匀性。
SE-VM和ME-Mapping均可满足白玻璃和Si衬底上SnO₂膜层的测量需求。

图2. SE-VM(左)和ME-Mapping(右)高精度椭偏仪
案例展示:准确测量ALD工艺制备的SnO₂薄膜
a. 对于Si衬底上20nm SnO₂薄膜,SE-VM可以精确表征薄膜的膜厚以及光学常数nk。
THK:25.27nm |
图3. Si衬底上SnO₂薄膜的椭偏拟合曲线
图4. SnO₂的nk曲线
b. 对于玻璃衬底上80nm SnO₂薄膜,SE-VM可以精确表征薄膜的膜厚以及光学常数nk,并且SnO₂膜厚拟合结果和同片TEM膜厚数据保持高度一致性!
THK:80.05nm |
图5. 玻璃衬底上SnO₂薄膜的椭偏拟合曲线
图6. SE-VM与TEM同片膜厚结果展示
c. 使用SE-VM,长期监控同一片SnO₂样件(非同点位测试),多日监控的SnO₂薄膜膜厚及折射率数据展现了较好的稳定性。

图7. SnO₂薄膜膜厚及折射率的长期监控数据
d. 使用ME-Mapping,可对SnO₂薄膜进行自定义多点位扫描测量。以2D/3D热力图的形式展示SnO₂薄膜的膜厚分布,并输出膜厚均匀性结果。

图8. SnO₂薄膜的2D/3D膜厚热力图
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