开尔文探针力显微镜在钙钛矿太阳能电池中的应用研究综述
本文由Zhuo Kang、Haonan Si等作者团队（来自University of Science and Technology Beijing的State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials）撰写，发表于2019年2月的《Science China Materials》期刊（第62卷第6期）。文章系统综述了开尔文探针力显微镜（Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM）在钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）研究中的应用进展，重点探讨了该技术在能带结构、载流子动力学、缺陷态、晶相及离子迁移等核心问题中的独特优势。
一、研究背景与意义
钙钛矿太阳能电池作为第三代新型光伏器件，其光电转换效率已突破23%，但材料对水、氧及电子束的敏感性限制了传统表征手段的应用。KPFM作为一种非接触、高分辨率的表面功函数检测技术，可同步获取纳米级形貌与电子态信息，为环境敏感型钙钛矿材料的原位研究提供了新途径。文章旨在阐明KPFM的技术原理及其在解决PSCs关键科学问题中的潜力，推动高性能器件的开发。
二、KPFM的技术原理与工作模式
1. 基本原理
KPFM基于原子力显微镜（AFM）发展而来，通过探针与样品间的接触电势差（Contact Potential Difference, CPD）测定表面功函数。当探针与样品接触时，费米能级（Fermi Level）对齐产生CPD，通过施加反向偏压（Vdc）消除静电力振荡，从而计算样品功函数（φsample = φtip - e×CPD）。
三、KPFM在钙钛矿太阳能电池中的核心应用
1. 能带结构与载流子传输动力学
KPFM可原位测定不同光照条件下各功能层（如SnO2电子传输层）的费米能级偏移。例如，研究发现乙二胺四乙酸（EDTA）修饰的SnO2费米能级更接近钙钛矿导带，优化了能级匹配（Yang et al., 2018）。通过截面电势成像，团队揭示了载流子在钙钛矿/空穴传输层界面的积累现象，解释了器件中电子-空穴提取效率的不平衡性。
2. 缺陷态（Trap States）表征
KPFM通过表面光电压（Surface Photo-Voltage, SPV）映射量化缺陷密度。例如，NH4I添加剂处理的钙钛矿薄膜SPV值从75 mV降至27 mV，表明其有效钝化了表面缺陷（Si et al., 2017）。此外，结合玻尔兹曼分布公式，KPFM可计算载流子浓度分布，为缺陷调控提供定量依据。
3. 晶相识别（Phase Identification）
钙钛矿降解产物（如PbI2和CH3NH3I）的功函数差异可通过KPFM区分。研究团队利用表面电势成像证实了CH3NH3PbI3单晶表面存在n型特性，并定位了降解相的空间分布（Jung et al., 2017）。
4. 离子迁移（Ion Migration）研究
KPFM揭示了晶界是离子迁移的主要通道。在偏压依赖性实验中，降解样品的CPD恢复时间延长，表明晶界处存在更多离子缺陷（Yun et al., 2016）。此外，氯掺杂（Cl-incorporation）可增强体相极化（Bulk Polarization），抑制离子迁移导致的电流-电压滞回效应（Yang et al., 2017）。
四、技术优势与创新性
1. 非破坏性检测：KPFM无需复杂样品制备，避免电子束或水氧环境对钙钛矿的损伤。
2. 高时空分辨率：AM/FM模式互补，兼顾能量与空间分辨率，可解析纳米级电势分布。
3. 多场耦合分析：支持光照、偏压、温度等多物理场调控，适用于动态过程研究。
五、研究价值与展望
本文系统总结了KPFM在钙钛矿太阳能电池中的方法论贡献，为理解材料本征特性（如离子迁移机制、缺陷钝化效应）提供了直接实验证据。未来，KPFM与荧光寿命成像（FLIM）、紫外光电子能谱（UPS）等技术的联用，有望进一步揭示器件工作机理。作者强调，通过KPFM指导的界面工程和晶界调控，是实现高效稳定PSCs的重要方向。
亮点总结
- 首次全面评述KPFM在钙钛矿多尺度表征中的应用框架。
- 提出“功函数-缺陷态-离子迁移”的关联分析模型，为器件优化提供新思路。
- 揭示了晶界在载流子分离与降解中的双重作用，推动稳定性研究进展。
（注：全文引用文献52篇，包括《Nature Energy》《Advanced Materials》等权威期刊成果，支撑了综述的学术深度。）