执行摘要
在向可持续的光伏制造研究过程中，奥尔登堡大学的Manuela Schiek博士研究小组发现了共焦激光扫描显微镜的最新技术是如何提高他们对有机半导体和透明电极的研究的准确度和效率。
通过太阳能电池直接从太阳获取能量发电，似乎已成为绿色能源的象征。但您有没有停下来考虑过制造过程？以晶体硅为例，它是常规太阳能电池的主要组件。首先，将硅矿石转化成有价值的结晶形式需要2,000℃以上的温度。这本身不仅是个令人难以置信的耗能过程，而且获取超纯硅还涉及多种有害化学物质和一种强效温室气体。在许多无机薄膜太阳能电池的现代制造中，其他主要有害成分包括有毒元素硒和镉。铟也是形成铟锡氧化物（ITO）的重要成分，但预计到2017年，这种有限资源的储量将无以为继，这又形成一系列潜在的挑战。以钽为例：这种颇具争议的材料对于制造电晶体管至关重要，由于其供应量有限，已经成为刚果民主共和国发生政治冲突的核心。
因此，随着全球电网的日益紧张以及向可持续能源生产的推动，我们必须确保绿色能源设备的制造方法同样可持续，这正是奥登堡大学的Manuela Schiek博士研究小组的目标。他们的研究重点是无害且易于获得的太阳能电池制造替代材料。这包括在能量捕获活性层中使用有机半导体，以及由嵌入有机聚合物基质中的银纳米线网形成的透明电极系统（见文本框“有机太阳能电池结构”）。
由于其复杂的多层结构，表面分析技术在深入分析太阳能电池的工作方式上发挥着重要作用。多年来，虽然触觉轮廓测定法和原子力显微镜（AFM）一直是表面计量学的主要依靠，但3D共焦激光扫描显微镜（CLSM）正在成为越来越受欢迎的工具。
共焦激光扫描显微镜既具有生成精细真色度光学图像的功能，又具有激光扫描技术的非接触式功能，是一种真正的光学轮廓仪。相比基于笔触的技术，3D CLSM更快、更高效，能够测量柔软的表面或粘性表面，分辨率为0.2 µm。由于具有上述优点，Schiek博士实验室最近引入奥林巴斯LEXT OLS4100 3D共焦激光扫描显微镜，极大促进了其对光伏制造的替代方法的研究。
有机太阳能电池结构
 | 最受欢迎的有机太阳能电池结构基于光子捕获活性层，该活性层夹在两个电极之间，其中一个电极必须透明，以便让光线穿透。光子撞击有机半导体时产生载电荷激子，然后通过使用电子给体和电子受体两种材料将激子分离成各自的电子和空穴。在电场的驱动下，电子和空穴向各自电极运动，产生形成电路所必需的电荷分离。
Schiek博士的研究着眼于使用透明银纳米线（AgNW）网式电极取代易碎和稀有的ITO，此外，还可以使用有机材料形成活性层，以替代对环境有害的化学物质，从而为消费应用制造灵活、可持续且经济的薄膜太阳能电池。 |
活性层中的有机材料
活性层是从光子中捕获能量的地方，而在有机太阳能电池中，活性层通常由两种材料 – 聚合物和富勒烯的不连续混合所形成。在聚合物充当电子供体且富勒烯充当电子受体的情况下，这一本体异质结结构导致电子与空穴的电荷分离增强，从而改善太阳能电池的功能。但聚合物通常大致定义为具有不同链长且具有高度批次特异性的材料的混合物。另一方面，分子半导体被定义为可通过微小结构变化而调整特性的构造块，因此可对其进行优化以改善太阳能电池的功能。此类分子中一个引人关注的类别是方酸菁染料（图1），其结构在光谱的红色区域具有较宽的吸收率。Schiek博士的研究正在研究由方酸菁与富勒烯受体混合形成的本体异质结活性层（有关更多信息，见参考1）。有源层的厚度对于该应用至关重要：太薄会导致电荷载流子的迁移率受到限制，但太厚会导致吸光度和柔韧性均显著降低。
因此，精确测量层厚同样重要。在Schiek博士实验室中，使用细针在活性层表面划上一道划痕，随后使用轮廓测量法测量此“凹处”的阶跃边缘。先前依靠触觉轮廓测定法，但有机材料的柔软性有碍于精确测量。实际上，在两个阶跃边缘之间经常观察到大约20 nm的高度差，考虑到活性层的平均厚度为100 nm，这一点很重要。细针从凹处升高时，会划破表面，导致低高度读数错误。
借助3D共焦激光扫描显微镜，由激光扫描表面，且这种非接触方法可实现更高的表面轮廓测定精度（图2）。此外，提供样品可视图像更加直观，并且使用LEXT OLS4100，还可以轻松地将这些信息编译为报告，从而显示图像以支持数值数据（图2B）。
偏振光下的方酸菁。
这些分子染料为活性层提供一种可持续性替代方法，这时，使用奥林巴斯LEXT OLS4100可以在交叉极之间观察到。
 图 1.A：单晶呈金色金属光泽； |  图 1.B：纯方酸菁旋涂层，在热退火时通过结晶形成球晶集合体。 |
软质材料精确计量。
活性层由软质有机材料构成，厚度通常为100 nm，很容易因接触而损坏。
 图 2.A：使用奥林巴斯LEXT OLS4100实现非接触式轮廓测定法 |  图 2.B：数据汇编成报告。 |
透明电极
透明电极将光学透明性与导电性相结合，形成太阳能电池的阳极，同时还允许光穿过到达活性层。迅速减少使用ITO资源目前是透明电极的工业标准。此外，ITO是一种易碎材料，这限制其在机械柔性设备中的使用，因此，人们正在寻找一种轻便、实惠、灵活且能够大规模加工的替代品。例如，石墨烯是一种潜在替代品（图3），但其薄片非常小，这限制其在更大区域的应用。
一种极具发展前景的替代品是嵌入聚合物基质的银纳米线（AgNW）网格，Schiek博士实验室内的第二个项目重点在于生产AgNW，随后加工以形成电极并最终整合到有机太阳能电池中。
为获得最佳导电性，有源电极和电极之间必须存在均匀的连接，这就需要同质AgNW网格。由于AgNW在100 nm处的直径等于活性层厚度，因此避免这些聚集区并防止刺穿活性层也很重要。但是，在实际操作中，使用当前的旋涂生产技术在整个太阳能电池上实现这一目标极具有挑战性，且表面粗糙度评估在优化合成方案中起着核心作用。
AFM已成为评 AgNW网格表面粗糙度的主要技术，但LEXT OLS4100的引入极大地提高了这方面的效率。首先，Schiek博士发现，通过使用图像拼接功能扩展视场，她能够查看更具代表性的电极表面样品。AgNW网格可能在较小比例尺上看起来比较规则，但通过创建1 mm2的高分辨率图像（比使用AFM的可能分辨率大十倍），可以很容易地识别出聚集区域，否则这些区域将被漏掉（图4A 和图B）。从图4C中可以看出，该软件还允许以3D形式显示高度剖面图，这对分析和文档编制均很有用。此外，能够将低通滤波器从80 µm增加至800 µm允许对银纳米线的凸起区域进行更深入的分析。
AFM也非常耗时。设置仪器并针对端部相关假象进行调整后，不仅扫描本身需要长达一个小时的时间，通常还需要一整天才能获取一张有用的图像。借助3D CLSM，由于使用的是专用软件，即使是显微镜经验不足的学生，图像采集也很快速且非常直观。在性能方面，研究人员发现，带有LEXT OLS4100的AFM和CLSM产生了类似结果，这得益于透明电极表面粗糙度评估效率的提高。
该项目的另一个引人关注的方面是透明电极在包括LED和触摸屏在内的整个光电应用中的深远潜力，其中，开发ITO替代品也是个深入研究的重点。在未来，光电接口甚至可能使视力恢复，因为视网膜植入物可以利用光产生电输出并刺激神经元活动。
涂有发光有机半导体的多层石墨烯薄片。
 图 3 | 目前正在研究用于有机发光二极管的这一结构，而石墨烯也有用作透明电极的潜力 — 尽管对于较大的光伏表面而言，石墨烯薄片太小。在交叉极之间可视。 |
使用奥林巴斯LEXT OLS4100评估银纳米线网状电极表面粗糙度。
图像拼接功能扩展视野，低通截止滤波器设置为800 µm。
 图 4.A：有助于分析纳米线在明场中的大规模分布。 |  图 4.B：高度色图。 |
 图 4.C：有机太阳能电池架构。 | |
结语
以可持续方式为全球电网供电仍是现代世界面临的最大挑战之一，这是研究创新解决方案的大好时机。随着这些研究在最新技术发展的推动下，利用广泛可用的材料有望为传统太阳能电池制造提供绿色替代品。
从支持使用非接触式轮廓测定法对活性层进行精确步进测量，到利用速度和先进软件功能提高分析效率，奥林巴斯LEXT OLS4100 3D共焦激光扫描显微镜为Manuela Schiek 博士研究小组带来的众多优势都优于基于笔触的方法。在未来几年内，人们愈加关注替代能源，不断发展的光学显微镜技术很可能会在太阳能变革中发挥核心作用。
作者信息
Markus Fabich是Olympus SE＆CO KG（德国汉堡）材料科学显微镜产品经理。
参考信息
1. S. Brück, C. Krause, R. Turrisi, L. Beverina, S. Wilken, W. Saak, A. Lützen, H. Borchert, M. Schiek, J. Parisi, Structure–property relationship of anilino-squaraines in organic solar cells, Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (2014) 1067.
2. F. Balzer, H. H. Henrichsen, M. B. Klarskov, T. J. Booth, R. Sun, J. Parisi, M. Schiek, P. Bøggild, Directed self-assembled crystalline oligomer domains on graphene and graphite, Nanotechnology 25 (2014) 035602.
