TPC、TPV、TPQ测什么？光电器件瞬态载流子动力学测试方法解析

关键词：TPC；TPV；TPQ；电荷抽取；载流子动力学；太阳能电池；光探测器；瞬态光电流；瞬态光电压

在光电器件研究中，稳态J–V、I–V、EQE或响应度回答的是“器件表现如何”，而瞬态测试进一步追问“载流子经历了什么”。TPC、TPV、TPQ与电荷抽取（CE）分别从电流、电压和电荷维度记录动态过程。正确使用这些方法的第一步，是把直接观测量、拟合参数和机制解释分开。

图1. TPC、TPV、TPQ、CE与开关响应的直接观测量和主要用途。

1. TPC：在短路或受控偏压下观察外部电流

TPC 直接记录I(t)。rise、decay和长尾可用于比较外部电流建立、抽取/输运以及较慢过程；对瞬态积分还可获得与外电路抽取电荷相关的量。由于结果会受到偏压、负载、器件电容、脉冲条件和采集带宽影响，不同样品之间只有在测量边界一致时才具有清晰的可比性。

图2. TPC曲线的rise、decay与积分电荷承担不同的分析任务。

2. TPV：外部电压衰减不等于无条件的复合寿命

TPV 常在稳态偏置光与开路条件下施加小光扰动，记录ΔV(t)。近年的钙钛矿与有机光伏方法学研究显示，TPV rise/decay 可能同时包含复合、电容充放电、接触交换和载流子再分布等贡献。[2–5]因此对 TPV更稳妥的报告方式是先描述decay time 或拟合时间常数，再通过光强/电压依赖、RC检查以及其他瞬态方法判断其物理来源。

图3. TPV时间常数可能受到复合之外的多种动力学控制。

3. TPQ：在TPV 衰减过程中增加电荷维度

TPQ 的核心做法是在TPV 衰减的不同延迟时刻触发电荷抽取，得到Q(t) 随时间的变化。[2]这样可以减少只用电压变化代理电荷数量所带来的歧义。2025年的有机和全聚合物太阳能电池研究仍在将TPC、TPV 与TPQ 联用，用于区分抽取、复合和电荷积累。[7,8]

图4. TPQ通过不同延迟点的抽取重建可抽取电荷衰减。

4. CE 与多瞬态联合：把“速度”和“数量”分开

CE 关注某一预设工作状态下可抽取的电荷总量。将TPC、TPV、TPQ/CE放到同一框架里，可以分别比较外部抽取速度、开路电压扰动衰减和电荷数量变化。多维结果互相支持时，关于界面选择性、抽取改善或复合降低的判断会更有依据；如果结果相互矛盾，反而提示需要检查RC、迁移率、接触和测试条件。

图5. 联合判读的重点是不同直接观测量之间的交叉约束。

5. 光探测器与开关响应：rise/fall也是系统时间常数

对光探测器等器件，on/off响应可直接给出外部rise/fall。慢尾可能与陷阱有关，也可能来自器件RC、接触或采集链路带宽，因此应结合偏压、光强、调制频率和脉冲瞬态进一步验证。对于具有电学端口的光电化学体系，还需额外考虑界面电荷转移、电解质传质和双电层等因素。

图6. 开关响应先描述系统速度，再讨论微观来源。

6. 测试可比性的六个检查点

偏置光、扰动幅度、偏压/负载、脉冲宽度与重复频率、采集带宽以及样品温度/气氛/预处理历史，都会改变瞬态曲线。一个更可靠的实验顺序是：先固定条件，再做强度或偏压扫描，最后用TPC、TPV、TPQ/CE与稳态/频域结果联合讨论。

图7. 先控制测试条件，再比较时间常数。

7. 相关设备：TranPVC 900

东谱科技瞬态光电流/光电压/光电荷测量仪TranPVC 900是一款TPV、TPC与TPQ专用瞬态光电测量平台，用于研究完整工况器件中的载流子传输、积累、复合和抽取。系统集成高速采集、封闭光路、可视化样品仓及多种瞬态模式。适用于钙钛矿、有机光伏、光电探测器和光催化器件等动力学研究。TPV、TPC、TPQ和电荷抽取是研究钙钛矿、有机光伏及光电器件载流子寿命、抽取、积累和复合的重要方法。TranPVC在完整器件和可控偏置/光照条件下测量，可用于判断界面改性、传输层和器件结构的实际影响。

参考文献

[1] Shi J., Xu X., Li D., Meng Q. Opto-electro-modulated transient photovoltage and photocurrent system for investigation of charge transport and recombination in solar cells. Review of Scientific Instruments, 2016, 87: 123107. DOI: 10.1063/1.4972104.

[2] Azzouzi M., Kirchartz T., Nelson J. Overcoming the Limitations of Transient Photovoltage Measurements for Studying Recombination in Organic Solar Cells. Solar RRL, 2020, 4: 1900581. DOI: 10.1002/solr.201900581.

[3] Krückemeier L. et al. Quantifying Charge Extraction and Recombination Using the Rise and Decay of the Transient Photovoltage of Perovskite Solar Cells. Advanced Materials, 2023, 35: 2300872. DOI: 10.1002/adma.202300872.

[4] Ravishankar S. et al. Transient photovoltage rise and decay as probes of charge-carrier exchange and recombination in perovskite solar cells. Energy & Environmental Science, 2024, 17: 1229–1243. DOI: 10.1039/D3EE02013D.

[5] Neupane G. R. et al. Transient Photovoltage Measurements of Perovskite Solar Cells: The Influence of RC Time Constants at Low Illumination. The Journal of Physical Chemistry C, 2024, 128: 16372–16379. DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c04316.

[6] Pramanik C. et al. Charge Transport, Recombination, and Operational Stability in Perovskite Solar Cells Investigated by Time- and Frequency-Domain Methods. Advanced Energy Materials, 2025, 15: 2502346. DOI: 10.1002/aenm.202502346.

[7] Zhu L. et al. Carrier-dynamics analysis in organic solar cells using transient photocurrent, transient photovoltage and transient photo-charge. SusMat, 2025, 5: e70008. DOI: 10.1002/sus2.70008.

[8] Huang H. et al. Charge-dynamics analysis including transient photo-charge in all-polymer solar cells. Advanced Functional Materials, 2025, 35. DOI: 10.1002/adfm.202414844.