Zhenyi Ni和美國應用物理科學、機械與材料工程以及計算機和能源工程研究團隊在《Science》雜誌上發表的最新報告中，描述了金屬滷化物鈣鈦礦單晶多晶太陽能電池中陷阱態或缺陷的空間和能量分布。研究人員將金屬滷化物鈣鈦礦（MHP）的光電性能歸因於其高的光吸收係數、載流子遷移率、長的電荷擴散長度和小的Urbach能量（代表系統中的混亂）。理論研究表明，由於鈣鈦礦的低形成能，結構缺陷和晶界而在材料表面形成深電荷陷阱的可能性，可指導鈣鈦礦太陽能電池鈍化技術的發展（化學反應性的損失）。電荷陷阱狀態在鈣鈦礦太陽能電池和其他設備的降解過程中起著重要作用。了解陷阱態在其空間和能量中的分布可以闡明電荷陷阱（缺陷）對鈣鈦礦材料和器件中電荷傳輸的影響，以實現其最佳性能。
科學家已廣泛使用熱導納光譜（TAS）和熱激勵電流（TSC）方法來測量鈣鈦礦型太陽能電池中依賴於能量的狀態陷阱密度（tDOS）。該方法通常可以達到大約0.55 eV的陷阱深度，該深度足以製造高效的太陽能電池。為了檢測寬帶隙鈣鈦礦中存在的更深的陷阱狀態，研究人員使用了表面光電壓光譜等技術和子帶隙光電流。然而，大多數技術不能應用於已經完成的太陽能裝置以測量陷阱態的空間分布。在這項工作中，Ni等演示了驅動級電容分析方法（DLCP），可提供鈣鈦礦中載流子和陷阱密度的良好表徵的空間分布。科學家繪製了鈣鈦礦單晶和多晶薄膜中陷阱態的空間和能量分布圖，以便進行直接比較。
該團隊開發了DLCP（驅動級電容分析）方法，以研究非晶和多晶半導體（如非晶矽）的帶隙中缺陷的空間分布。該方法可以直接確定載流子密度，以包括半導體帶隙內的自由載流子密度和陷阱密度，以及它們在空間和能量中的分布。他們通過從在低交流頻率下測得的總載流子密度中減去在高交流電流頻率下測得的估計自由載流子密度，來估計阱密度。該技術允許團隊導出陷阱狀態的能量分布。為了驗證使用DLCP方法測量的載流子密度的準確性，科學家們對在頂部有n型擴散層Si(N)的p型晶體Si(p-Si)晶片上製備的矽太陽電池進行了DLCP測量。測量結果與電導率測量得到的p-Si晶片的摻雜濃度一致，驗證了使用DLCP測量的載流子密度的準確性。
為了使用DLCP剖析載流子和陷阱的密度，研究人員研究了從一個電極到反電極的整個器件，以了解平面結構鈣鈦礦太陽能電池中結的位置。該團隊進行了幾次實驗，觀察到鈣鈦礦電池通常在器件成分之間保持n+ -P連接。為了確定對應於物理材料深度的輪廓深度，Ni等人構建了一個包含雙層甲基碘化鉛（MAPbI 3）薄晶體的器件，以定位電荷陷阱。當他們分析工程設備的陷阱密度時，他們在18 m的輪廓距離處獲得了陷阱密度的峰值。
研究小組隨後研究了鈣鈦礦單晶太陽能電池中的陷阱分布，並觀察到第一個MAPbI 3單晶太陽能電池的最高功率轉換效率（PCE）只有17.9％。遠低於多晶太陽能電池。他們沒有意識到限制載流子在薄晶體中擴散的潛在機制，並使用合成晶體方法進行了DLCP測量以研究陷阱密度與陷阱分布之間的關係。該團隊觀察了整個MAPbI 3中載流子密度的空間分布。他們使用空間受限的生長方法在不同頻率下合成了這種薄單晶，並注意到載流子密度隨著交流頻率的降低而增加，這表明MAPbI 3薄單晶中存在電荷陷阱。
為了了解鈣鈦礦界面處深陷阱密度的起源，研究小組使用了高解析度透射電子顯微鏡並檢查了不同成分的鈣鈦礦樣品。他們比較了鈣鈦礦單晶和具有不同組成的多晶薄膜之間的陷阱密度分布。薄單晶的陷阱密度分布比多晶薄膜的陷阱密度分布低幾個數量級。結果表明適當的表面改性工藝對於降低多晶薄膜界面處鈣鈦礦單晶中陷阱能級以提高器件性能的重要性。結果表明，通過降低界面處的陷阱密度，可以提高鈣鈦礦太陽能電池和其他電子設備的性能。
這樣，Zhenyi Ni及其同事使用太陽能電池電容模擬器來模擬具有不同陷阱密度的薄膜和單晶鈣鈦礦太陽能電池。用DLCP測量所測量的陷阱範圍，可以預測太陽能電池的性能，並降低材料的整體陷阱密度，並將功率轉換效率（PCE）提升至20％。通過降低界面陷阱密度，他們將PCE值提高到更接近無陷阱薄膜太陽能電池所觀察到的PCE值。單晶太陽能電池的模擬數據與實驗非常吻合，表明單晶太陽能電池的PCE可以在設備界面處得到進一步改善，以收集更多的陽光。
論文標題為《Resolving spatial and energetic distributions of trap states in metal halide perovskite solar cells》。