TOF-SIMS在光电器件研究中的应用系列之一

含氟分子具有超强的电负性和较好的疏水性，常作为添加剂用于钝化钙钛矿薄膜缺陷，提高电池效率及稳定性，所以含氟添加剂引起了研究者们的极大关注。陕西师范大学刘生忠教授团队高黎黎博士和张静博士详细研究了氟乙胺分子中，氟原子个数对梯度钝化钙钛矿薄膜缺陷的影响，以及对调控薄膜光电性质、钙钛矿电池效率和稳定性的影响。

由于添加剂分子的化学特性与钝化工艺的差异会影响到添加剂分子在钙钛矿薄膜中的分布均一性，因此，表征钙钛矿薄膜中添加剂的空间分布对评估其钝化效果和钝化工艺的改良极其重要。研究者通过ToF-SIMS（PHI nanoTOF II）深度剖析结果发现不同个数氟的添加剂在薄膜中呈现梯度分布，可以钝化薄膜不同位置的缺陷，其中，一氟乙胺实现了从体相到表面的整体钝化，因此将电池效率22.2%提高到了23.4%。该工作以题为“Fluoroethylamine Engineering for Effective Passivation to Attain 23.4% Efficiency Perovskite Solar Cells with Superior Stability”发表在Advanced Energy Materials上。

图1. ToF-SIMS深度剖析分析添加剂在钙钛矿薄膜中的分布情况

a) 不同添加剂下的钙钛矿薄膜中F元素深度分布曲线b) 1FEA修饰下的钙钛矿薄膜中F、Pb、I元素的分布图 c) 2FEA修饰下的钙钛矿薄膜中F、Pb、I元素的分布图 d) 3FEA修饰下的钙钛矿薄膜中F、Pb、I元素的分布图 e) F元素分布的TOF-SIMS 3D展示图像 f) FEA在钙钛矿薄膜中的分布示意图。

飞行时间二次离子质谱（time-of-flight secondary ion mass spectrometry, TOF-SIMS）是一种基于离子束与样品表面相互作用的质谱分析技术，通过检测一次离子源轰击样品表面所产生的离子碎片（二次离子），可以获知样品表面的元素及分子组分信息。TOF-SIMS具有超高表面灵敏度（~ 1 nm）和检测灵敏度（ppm-ppb级），以及极佳的质量分辨率和空间分辨率，可以检测包括H在内的所有元素及其同位素，还可以提供目标组分在样品表面至内部的深度分布信息和三维重构（3D）信息，这些优势使得TOF-SIMS成为重要的表面分析技术。在钙钛矿材料的添加剂工程研究中，TOF-SIMS可用于表征钝化剂组分在钙钛矿材料表面及其内部的空间分布特征。

图2 PHI最新一代TOF-SIMS产品：PHI Nano TOF3