原子力显微镜 (AFM) 是一种用于绘制材料表面图谱的多功能工具。除了大多数科学家熟悉的传统 AFM 技术外，还有一系列鲜为人知的 AFM 变体。其中一种变体是光电导 AFM (pc-AFM)，它基于 AFM 的基本原理专门设计用于测量表面的光电导率。在本文中，我们将探讨 pc-AFM 的工作原理，以及它如何在帮助测定光伏（太阳能）电池的纳米电学特性方面找到自己的优势。

什么是 光电导原子力显微镜 (pc-AFM)？

顾名思义，光电导原子力显微镜 (pc-AFM) 是原子力显微镜 (AFM) 的一种变体，专门用于测量表面的光电导率。与其他类型的高分辨率显微镜相比，它是一项相对较新的技术。鉴于光电导率测量的应用有限，pc-AFM 在太阳能电池器件和材料分析中的应用更为广泛也就不足为奇了。

在众多类型的太阳能电池中，pc-AFM 在有机太阳能电池（也称为有机光伏电池或 OPV）中的应用最为广泛，因为它可以用于较软的材料。这种 AFM 以其高图像分辨率而闻名，可以在纳米级表征电学特性。尽管光伏 (PV) 市场可能被视为一个小众市场，但它是发展最快的可再生能源领域之一，因此随着光伏技术的发展，这种技术的应用可能会越来越广泛。此外，鉴于各种纳米材料在太阳能电池中变得越来越普遍，并且如今生产的大多数光伏结都受益于纳米材料的使用，因此，随着该领域的发展，能够准确测量纳米级特性的技术必将获得更大的吸引力。

pc-AFM的工作原理

Pc-AFM 的工作原理与标准 AFM 仪器和导电 AFM (C-AFM) 非常相似。pc-AFM 与 AFM 的主要区别在于 pc-AFM 使用倒置显微镜物镜作为照明源。pc-AFM 通常使用金属涂层硅探针，因为它们能够有效地传输电流。与任何 AFM 技术一样，光电流在材料表面的位置是通过激光束从悬臂背面偏转到位置敏感光电二极管 (PSPD) 上来实现的。

电磁波谱可见光区域内的光从样品下方发射出来。这些光通?；岽┕趸魑?(ITO) 层，然后到达样品。当探针扫描表面时，电流会流过该层，并形成阳极。样品下方的 ITO 层随后变为阴极，从而形成完整的电路。当探针扫描表面时，它会测量由光响应材料产生的光电流。由于这些测量值可以在纳米尺度上推断，因此可以通过关联这些测量值来估算块体太阳能电池的性能。

这种方法还可以用来观察供体和受体分子在电池光活性层中的分离过程。在这种情况下，空穴被导电的AFM尖端收集，电子迁移到ITO阴极。当施加低于材料开路电压的电偏压时，该过程将逆转，电子移动到尖端，空穴移动到ITO层。然后，可以利用正负电偏压下的光电流图像来确定供体和受体分子的行为。

可以收集的信息

尽管其整体应用领域比较小众，但在光伏领域，pc-AFM 可以成为推断太阳能电池大量特性的有力工具。如上所述，这些特性可以推断到纳米级，使用 pc-AFM 可以获得的信息示例包括：光电流映射（包括光电流内的变化）；材料光活性区域映射；推断材料薄膜形态（以及薄膜之间的差异）；识别结内的供体-受体域；确定电流密度-电压图；确定器件的量子效率和功率转换效率；以及识别材料或器件内电荷载流子的浓度。

优于其他方法

在pc-AFM诞生之前，多年来已有许多方法被尝试和测试用于测量光伏的局部电子特性。其中一些包括众所周知的技术，例如传统的AFM方法、透射电子显微镜(TEM)和扫描透射X射线显微镜(STXM)。虽然这些方法可以有效地绘制表面形貌，但在测量光伏的电性能方面却效果不佳。许多其他类型的AFM，例如导电AFM (C-AFM)、扫描开尔文探针显微镜(SKPM)和静电力显微镜(EFM)，也可用于推断光伏的部分电特性，但在测量这些特定器件和材料时，它们都无法像pc-AFM那样具备如此广泛的应用范围。pc-AFM与其他AFM变体（至少在光伏方面）的主要区别在于，它能够绘制光电流、材料的光活性区域、光伏器件，并推断表面以下的特征。

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