PCE最高的空穴传输层，界面缺陷反而最密？Q-DLTS揭示钙钛矿电池N-I-P结构陷阱态

1 背景与问题

随着能源危机和环境问题的日益严峻，钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏技术的杰出代表，其光电转换效率（PCE）已迅速突破25%。然而，在实际应用中，器件的长期稳定性与迟滞效应仍然是制约其商业化的关键瓶颈。研究发现，N-I-P层状结构钙钛矿电池中的体相缺陷及界面缺陷（如钙钛矿/空穴传输层界面、钙钛矿/电子传输层界面）会导致严重的电荷复合，从而降低开路电压（）和填充因子（FF）。

传统的缺陷分析技术如瞬态光电流（TPC）、标准深能级瞬态谱（DLTS）和电化学阻抗谱（EIS）在应用于有机-无机杂化钙钛矿器件时存在局限性。例如，标准DLTS对有机二极管的灵敏度较低，而EIS在解析多载流子传输过程时容易产生误判。因此，开发并应用高灵敏度的电荷型深能级瞬态谱（Q-DLTS）技术，对于精准解析钙钛矿电池内部的深能级陷阱、界面复合机制以及迟滞行为的物理起源至关重要。

2 核心方案

本论文采用电荷型深能级瞬态谱（Q-DLTS）作为核心表征手段，深入研究了三种不同空穴传输材料（HTM）——P3HT、PBTTTV-h和Spiro-OMeTAD对N-I-P层状钙钛矿太阳能电池缺陷态的影响。

与传统的基于电容测量的DLTS不同，Q-DLTS通过测量外部电路中释放的电荷量（）来表征陷阱捕获中心，这种方法对有机及杂化半导体器件具有更高的灵敏度。研究团队在250 K至320 K的温度范围内，对器件施加脉冲电压（），通过改变充电时间（）来捕获不同深度的陷阱，并结合Arrhenius图计算陷阱的激活能（）、俘获截面（）及陷阱密度（）。

图1. P3HT、PBTTTV-h和spiroOMeTAD的化学结构。

此外，研究还结合了J-V特性测试和时间分辨光致发光（TRPL）光谱，以综合评估器件的光伏性能与载流子寿命，从而建立了缺陷态参数与器件宏观性能之间的直接联系。

3 实验结果与分析

通过J-V测试（扫描速率1.88），研究发现不同HTM对器件性能有显著影响。其中，基于PBTTTV-h的器件表现出优异的填充因子（FF），而Spiro-OMeTAD器件虽然具有较高的，但其界面缺陷密度较高。

Q-DLTS测试结果进一步揭示了性能差异的微观机制。研究成功识别了六种不同的陷阱峰（A-F），并精确定位了其来源：

3.1 P3HT器件：包含较多深能级陷阱（如Type E, F），这些陷阱阻碍电荷传输并增加复合；

3.2 Spiro-OMeTAD器件：虽然含有高浓度的浅陷阱，但其在HTM层内部存在特定的陷阱（）；

3.3 PBTTTV-h器件：表现出最低的界面缺陷密度（），显著低于P3HT（）和Spiro-OMeTAD（）。

图2.在T = 300 K下，使用充电电压ΔV = 0.5 V和不同充电时间tC（范围为200 μs（●）至1 s（Δ））在P3HT基器件中记录的Q-DLTS谱。

图3.在250–320 K温度范围内，使用充电电压ΔV = 0.5 V和充电时间tC = 1 s测量的基于P3HT器件的Q-DLTS谱。图inset：根据Q-DLTS谱得到的阿伦尼乌斯曲线。

低界面缺陷密度直接促进了电荷的分离与收集，使得PBTTTV-h器件的填充因子（FF）相比P3HT提升了约21%。TRPL测试结果也佐证了这一点，PBTTTV-h器件具有更长的载流子寿命，表明其界面复合速率较低。这一发现证明了通过优化HTM材料降低界面缺陷密度，是抑制迟滞效应、提升器件性能的有效途径。

4 产品介绍

UltraTran

多功能光电器件测量系统

UltraTran是一款多功能光电器件测试平台，用于综合分析半导体、光伏与发光器件的陷阱态、迁移率、阻抗和瞬态响应。系统集成DLTS、CELIV、TPV/TPC、阻抗谱、CV及电致发光等多类方法。适用于器件机理研究、缺陷诊断、材料筛选和温度依赖测试。陷阱态、迁移率、界面复合和频率响应往往需要多种电学与光电方法相互验证。UltraTran将DLTS、CELIV、阻抗谱、CV、IMPS/IMVS、TPV/TPC和电致发光集中于一套系统，适合复杂器件机理研究与温度依赖分析。

4.1 技术特点

(1) 集成IV、脉冲IV、on-off TPV/TPC、CE、CELIV、阻抗谱、CV、DLTS、IMPS/IMVS及电致发光等16类以上功能；

(2) DLTS与DIT用于识别深能级陷阱，Dark/Photo-CELIV用于研究迁移率和电荷抽取机制；

(3) 频率范围覆盖10 mHz-10 MHz，采样率达到250 MS/s，时间分辨率达到5 ns；

(4) 可在手套箱场景使用，并可灵活耦合液氮、液氦等变温恒温器开展温度依赖测试；

(5 )多种测试方法可在同一器件与温度条件下执行，用于交叉验证陷阱、迁移率、阻抗和复合相关结论。

4.2 产品优势

(1) 陷阱态、迁移率、阻抗、瞬态和电致发光多维联测，是其区别于TranPVC专用瞬态路线的核心定位；

(2) 同一平台可交叉验证不同测试方法所得的载流子与缺陷信息，提高机理研究的完整性；

(3) 面向光电转换与电光转换器件的模块化配置，能够减少多套仪器投入并建立统一数据测量流程；

(4) 同一系统执行多种机理测量，可减少样品转移和仪器条件差异，适合对复杂器件结论进行交叉验证。

原文参考：Analysis of Defects and Traps in N−I−P Layered-Structure of Perovskite Solar Cells by Charge-Based Deep Level Transient Spectroscopy (Q‑DLTS)