[应用案例] 揭示钙钛矿效率损失的微观机制：FAPbI3 薄膜的 C-AFM 原位电学表征
发布时间：
2025-11-24
关键词： 导电原子力显微镜 (C-AFM), 钙钛矿太阳能电池, FAPbI3, 载流子传输, 非辐射复合, 缺陷钝化, AtomEdge Pro
1. 研究痛点：看不见的“微观电学缺陷”
甲脒铅碘（FAPbI3）钙钛矿因其理想的带隙宽度，是目前实现高效率太阳能电池（PCE > 25%）的核心材料。然而，科研人员在冲击更高效率时常面临一个共性难题：
薄膜看起来很致密，为什么器件的填充因子（FF）和开路电压（Voc）总是上不去？
这往往归因于多晶薄膜内部的微观缺陷与电学不均匀性。传统的宏观表征（如 XRD, PL）难以分辨纳米尺度的局部电荷传输差异。要解决这一问题，我们需要一枚能“看见”微观电流的“纳米探针”。
2. 解决方案：纳米尺度的形貌-电学耦合成像
在本案例中，利用致真精密仪器 AtomEdge Pro 原子力显微镜 的导电模块（C-AFM），对 FAPbI3 薄膜进行了原位表征。
实验设置亮点：
- 高灵敏度 C-AFM 模块： 能够探测 pA 至 nA 级 的微弱电流，有效捕捉薄膜表面的细微电导率变化。
- Pt 导电探针： 确保针尖与样品的欧姆接触，真实反映材料本征属性。
- 原位对比： 同一区域同时获取形貌（Topography）与电流（Current）数据，实现点对点的构效关系分析。
实验参数：
样品信息 | FAPbI3 钙钛矿薄膜 |
测试设备 | 致真精密仪器 AtomEdge Pro 原子力显微镜 |
测试模式 | 接触模式形貌成像 + 导电原子力显微镜（C-AFM） |
探针参数 | NSC18/Pt（Pt涂层导电探针） |
扫描范围 | 10 μm × 10 μm |
像素分辨率 | 256 × 256 pixels |
测试环境 | 室温、大气环境 |
施加偏压 | 固定正向偏压（具体数值参照仪器标准） |
3. 关键发现：晶界即“陷阱”
通过 AtomEdge Pro 获取的实测数据，清晰地揭示了薄膜微观结构与光电性能的内在联系：
图1：FAPbI3 薄膜的 AFM 形貌（左）与 C-AFM 电流分布映射（右）
形貌表征： 薄膜呈现出典型的多晶结构，晶粒尺寸分布在 0.5~1.0 μm，成膜致密，无明显宏观孔洞。
电学分布： 在施加偏压下，电流分布图呈现出强烈的明暗对比超过color bar的范围[5.5，9.5]。
亮区（高导电）： 对应大尺寸晶粒的内部区域，表明晶内载流子传输效率极高。
暗区（低/不导电）： 高度集中在晶界及形貌凹陷处。
4. 结论与科学价值
实验结果直观地证实了：晶界和形貌缺陷是导致载流子传输受阻的主要诱因，也是非辐射复合发生的高危区域。
这一发现为后续的研究提供了明确的方向：
1、工艺优化： 通过添加剂工程增大晶粒尺寸，减少晶界密度。
2、缺陷钝化： 针对晶界处引入钝化层，填补导电“死区”。
常见问题 (FAQ)
Q1: C-AFM (导电原子力显微镜) 适合表征哪些光电材料？
A: C-AFM 非常适合表征具有纳米级电学不均匀性的半导体材料，如各类钙钛矿（FAPbI3, MAPbI3）、有机太阳能电池（OPV）的给受体相区、量子点薄膜以及二维材料的导电通道。
Q2: 为什么我的钙钛矿薄膜在 C-AFM 下测不到电流？
A: 常见原因包括：1. 探针镀层磨损导致接触不良；2. 施加偏压过小；3. 样品表面存在绝缘层（如过厚的传输层）；4. 设备电流模块灵敏度不足。AtomEdge Pro 凭借高信噪比放大器，可有效探测低至 pA 级的微弱信号。
Q3: 如何区分形貌伪影和真实的电流信号？
A: 最好的方法是进行正反向扫描对比，或结合 KPFM（表面电势）进行多维验证。本案例中的 AtomEdge Pro 支持多种模式切换，有助于排除伪影干扰。
推荐新闻
—— 精益求精，追求卓越。用精密仪器赋能科技创新，为先进制造提供可靠装备。
微信公众号
bilibili账号