混合無機-有機鈣鈦礦太陽能電池的效率主要受到捕獲電荷載流子並導致無用重組的缺陷的限制。近日，美國北卡羅來納大學黃勁松教授（通訊作者）報導了金屬滷化物鈣鈦礦單晶和多晶太陽能電池中「陷阱」的空間和能量分布解析結果。其中，單晶中的陷阱密度相差五個數量級，最低值為2×10^11 cm-3，且大多數深陷阱位於晶體表面。相關論文以題為「Resolving spatial and energetic distributions of trap states in metalhalide perovskite solar cells」於2020年3月20日發表在Science上。
論文連結
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1352
金屬滷化物鈣鈦礦（MHPs）的光伏性能主要歸因於其高的光吸收係數、高的載流子遷移率、長的電荷擴散長度和小Urbach能量。在MHPs中，缺陷耐受性最初被認為是其優異的載流子輸運和特殊的複合性能的一個來源，這這主要是由於大多數點缺陷在鈣鈦礦中具有較低的形成能，不形成深電荷陷阱。同時隨後的研究表明，鈣鈦礦材料表面和晶界的結構缺陷會導致深電荷陷阱，從而指導了鈣鈦礦太陽能電池鈍化技術的發展。但這也僅僅是間接推斷出來的。非輻射複合過程也會導致鈣鈦礦太陽能電池的能量損失，這與鈣鈦礦中的缺陷誘導陷阱密切相關。電荷陷阱在鈣鈦礦太陽能電池和其他器件的降解中起著重要作用。因此，了解陷阱態在空間和能量中的分布是理解電荷陷阱對鈣鈦礦材料和器件影響的最基本的因素之一。
其中， 熱導納光譜（TAS）和熱刺激電流（TSDS）已經被廣泛應用於鈣鈦礦太陽能電池中的陷阱態密度（tDOS）與能量的關係。這些方法通常可以從傳導或價帶邊緣達到~0.55eV的陷阱深度，這對於大多數低帶隙鈣鈦礦來說，這通常足夠的。像表面光電壓光譜和帶隙光電流這樣的技術能夠探測寬帶隙鈣鈦礦中存在的更深的陷阱態，採用亞帶隙光致發光技術研究了鈣鈦礦中發光陷阱態的性質。
本文中，作者展示了一種最新基於電容的技術的激勵電平電容壓型（DLCP）方法，能夠提供太陽能電池上的良好的載流子和陷阱密度的空間分布。同時繪製了鈣鈦礦單晶和多晶薄膜中陷阱的空間和能量分布圖，然後對典型的平面結構太陽能電池中鈣鈦礦單晶和薄膜中缺陷密度和分布進行了簡單的比較。此外，多晶膜界面的所有深度的電荷缺陷密度比薄膜內部的電荷缺陷密度大1~2個數量級，並且膜內部的曲線密度仍然比高質量的單晶大2~3個數量級。令人驚訝的是，在表面鈍化後，鈣鈦礦和空穴傳輸層的界面附近檢測到了大多數深陷阱，在那裡嵌入了大量的納米晶，從而限制太陽能電池的效率。
圖1. DLCP技術。
圖2. MAPbI3中陷阱的空間分布
圖3. MAPbI3中的厚度與陷阱密度分布的關係
圖4. 鈣鈦礦薄膜中陷阱的空間和能量分布
為了獲取更高的效率，作者模擬了帶隙為1.50和1.47eV的鈣鈦礦薄膜太陽能電池，分別對應於FA0.92MA0.08PbI3和FAPbI3。假設這些材料具有相同的缺陷密度，且捕獲截面為規則多晶MAPBI3薄膜，則器件的PCE可達22.5%和22.8%。進一步的來說，當薄膜中的缺陷密度大大降低到與單晶中的缺陷密度相同時，效率可以進一步提高到27.7%和28.4%。（文：Caspar）
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