鈣鈦礦太陽能電池的性能穩(wěn)定性一直是個難題，其中一個關鍵因素就是材料中的應力，殘余應力不僅會降低了材料的穩(wěn)定性，還會加速鈣鈦礦的降解。鈣鈦礦薄膜的宏觀殘余應力主要是由鈣鈦礦與基底材料的晶格和熱膨脹系數(shù)不匹配造成的，相變造成的晶格參數(shù)變化、制備工藝中的退火等步驟也是產(chǎn)生或加劇鈣鈦礦薄膜殘余應力的常見因素。

如何優(yōu)化制備工藝以調(diào)控鈣鈦礦薄膜的殘余應力是當前鈣鈦礦太陽能電池研究中的熱點問題。

優(yōu)化工藝的過程需要對鈣鈦礦薄膜的殘余應力有清晰準確的判斷，需要快速且可靠的分析技術，為制備工藝的優(yōu)化提供關鍵指導意見。

如圖1示意，存在殘余應力的樣品，在宏觀應力σφ的作用下，不同晶粒中不同傾轉(zhuǎn)角ψ的同一hkl晶面應變量不同，則晶面間距的變化量不同，峰位會發(fā)生變化。X射線衍射法作為晶體結(jié)構(gòu)分析的標準手段，是無損檢測材料殘余應力的主要方法，其特點是無損、快速、具有方向性。測量同一晶面多個傾轉(zhuǎn)角度的峰位，做dψ-sin2ψ圖，由該直線的斜率及材料的楊氏模量和泊松比即可計算得到應力值σ；斜率為正值表示拉應力，斜率為負值表示壓應力。

本文中我們對5個同種微米級的厚鈣鈦礦薄膜樣品進行殘余應力測試，樣品大小約為2cm*2cm，對樣品進行掠入射與對稱掃描后發(fā)現(xiàn)，由于鈣鈦礦薄膜具有一定的厚度，對于2θ=45°以下的強峰，掠入射與對稱掃描的峰強度差異不大，傳統(tǒng)塊體應力測試方法適用于該系列樣品。

圖2. 5個鈣鈦礦樣品的全譜掃描數(shù)據(jù)，可見鈣鈦礦結(jié)構(gòu)強衍射峰集中在45°以下的較低角度

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在高角度沒有強峰，使用側(cè)傾法（傾轉(zhuǎn)角ψ為Chi軸）進行應力測試能測試到更高的ψ角范圍；由于Chi軸傾轉(zhuǎn)會使樣品測試面出現(xiàn)高度差，為避免聚焦光路下樣品高度差帶來嚴重散焦，需要使用平行光路；同時考慮到兼顧樣品要進行掠入射物相分析不切換光路的需求且樣品具有較大面積，本實驗中我們采用入射光路平行光鏡+衍射光路平板準直器（PPC）的光路配置。

圖3. 傳統(tǒng)塊體應力測試中的兩種傾轉(zhuǎn)方式：同傾法（上）與側(cè)傾法（下）

具體測試條件：選取28°左右的ABX3結(jié)構(gòu)020晶面衍射峰，掃描范圍26°-30°，步長0.05°，傾轉(zhuǎn)角ψ范圍0°-65°, sin2ψ步長0.1，每個樣品共9個掃描，總時間37分鐘。

圖4：1號樣品不同傾轉(zhuǎn)角ψ下的的掃描數(shù)據(jù)（上）以及sin2ψ-d（下）

上圖是1號樣品不同傾轉(zhuǎn)角ψ下的的掃描數(shù)據(jù)以及d-sin2ψ圖，由掃描數(shù)據(jù)可見隨著傾轉(zhuǎn)角ψ增大，衍射峰位置有向高角度偏移（晶面間距d被壓縮）的趨勢，對應樣品存在壓應力。d-sin2ψ圖斜率為負值同時說明了這一點，代入該鈣鈦礦薄膜的楊氏模量和泊松比數(shù)據(jù)后，可得該鈣鈦礦薄膜存在約-17.9Mpa的壓應力。

以同樣的分析流程分析全部5個樣品，5個樣品的d-sin2ψ圖斜率（單位：ppm），以及殘余應力值（單位：MPa）如下表所示。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)不同傾轉(zhuǎn)角下的d-sin2ψ線型圖負斜率，樣品1-5均存在一定的壓應力，但壓應力的數(shù)值大小不同，反映了鈣鈦礦薄膜制備過程中的工藝參數(shù)對成品殘余應力的影響。

本案例中鈣鈦礦薄膜的楊氏模量及泊松比已知，故計算可得具體的應力值。對于鈣鈦礦薄膜的楊氏模量和泊松比未知的情況，同類樣品的力學參數(shù)相同或相近，斜率的大小可以反映不同樣品殘余應力大小的變化趨勢。

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