PCE最高的空穴傳輸層，界面缺陷反而最密？Q-DLTS揭示鈣鈦礦電池N-I-P結構陷阱態

1 背景與問題

隨著能源危機和環境問題的日益嚴峻，鈣鈦礦太陽能電池作為第三代光伏技術的傑出代表，其光電轉換效率（PCE）已迅速突破25%。然而，在實際應用中，器件的長期穩定性與遲滯效應仍然是製約其商業化的關鍵瓶頸。研究發現，N-I-P層狀結構鈣鈦礦電池中的體相缺陷及界面缺陷（如鈣鈦礦/空穴傳輸層界面、鈣鈦礦/電子傳輸層界面）會導緻嚴重的電荷複合，從而降低開路電壓（）和填充因子（FF）。

傳統的缺陷分析技術如瞬態光電流（TPC）、標準深能級瞬態譜（DLTS）和電化學阻抗譜（EIS）在應用於有機-無機雜化鈣鈦礦器件時存在局限性。例如，標準DLTS對有機二極管的靈敏度較低，而EIS在解析多載流子傳輸過程時容易產生誤判。因此，開發並應用高靈敏度的電荷型深能級瞬態譜（Q-DLTS）技術，對於精準解析鈣鈦礦電池內部的深能級陷阱、界面複合機製以及遲滯行為的物理起源至關重要。

2 核心方案

本論文采用電荷型深能級瞬態譜（Q-DLTS）作為核心表征手段，深入研究了三種不同空穴傳輸材料（HTM）——P3HT、PBTTTV-h和Spiro-OMeTAD對N-I-P層狀鈣鈦礦太陽能電池缺陷態的影響。

與傳統的基於電容測量的DLTS不同，Q-DLTS通過測量外部電路中釋放的電荷量（）來表征陷阱捕獲中心，這種方法對有機及雜化半導體器件具有更高的靈敏度。研究團隊在250 K至320 K的溫度範圍內，對器件施加脈衝電壓（），通過改變充電時間（）來捕獲不同深度的陷阱，並結合Arrhenius圖計算陷阱的激活能（）、俘獲截面（）及陷阱密度（）。

圖1. P3HT、PBTTTV-h和spiroOMeTAD的化學結構。

此外，研究還結合了J-V特性測試和時間分辨光緻發光（TRPL）光譜，以綜合評估器件的光伏性能與載流子壽命，從而建立了缺陷態參數與器件宏觀性能之間的直接聯系。

3 實驗結果與分析

通過J-V測試（掃描速率1.88），研究發現不同HTM對器件性能有顯著影響。其中，基於PBTTTV-h的器件表現出優異的填充因子（FF），而Spiro-OMeTAD器件雖然具有較高的，但其界面缺陷密度較高。

Q-DLTS測試結果進一步揭示了性能差異的微觀機製。研究成功識別了六種不同的陷阱峰（A-F），並精確定位了其來源：

3.1 P3HT器件：包含較多深能級陷阱（如Type E, F），這些陷阱阻礙電荷傳輸並增加複合；

3.2 Spiro-OMeTAD器件：雖然含有高濃度的淺陷阱，但其在HTM層內部存在特定的陷阱（）；

3.3 PBTTTV-h器件：表現出最低的界面缺陷密度（），顯著低於P3HT（）和Spiro-OMeTAD（）。

圖2.在T = 300 K下，使用充電電壓ΔV = 0.5 V和不同充電時間tC（範圍為200 μs（●）至1 s（Δ））在P3HT基器件中記錄的Q-DLTS譜。

圖3.在250–320 K溫度範圍內，使用充電電壓ΔV = 0.5 V和充電時間tC = 1 s測量的基於P3HT器件的Q-DLTS譜。圖inset：根據Q-DLTS譜得到的阿倫尼烏斯曲線。

低界面缺陷密度直接促進了電荷的分離與收集，使得PBTTTV-h器件的填充因子（FF）相比P3HT提升了約21%。TRPL測試結果也佐證了這一點，PBTTTV-h器件具有更長的載流子壽命，表明其界面複合速率較低。這一發現證明了通過優化HTM材料降低界面缺陷密度，是抑製遲滯效應、提升器件性能的有效途徑。

4 產品介紹

UltraTran

多功能光電器件測量系統

UltraTran是一款多功能光電器件測試平台，用於綜合分析半導體、光伏與發光器件的陷阱態、遷移率、阻抗和瞬態響應。系統集成DLTS、CELIV、TPV/TPC、阻抗譜、CV及電緻發光等多類方法。適用於器件機理研究、缺陷診斷、材料篩選和溫度依賴測試。陷阱態、遷移率、界面複合和頻率響應往往需要多種電學與光電方法相互驗證。UltraTran將DLTS、CELIV、阻抗譜、CV、IMPS/IMVS、TPV/TPC和電緻發光集中於一套系統，適合複雜器件機理研究與溫度依賴分析。

4.1 技術特點

(1) 集成IV、脈衝IV、on-off TPV/TPC、CE、CELIV、阻抗譜、CV、DLTS、IMPS/IMVS及電緻發光等16類以上功能；

(2) DLTS與DIT用於識別深能級陷阱，Dark/Photo-CELIV用於研究遷移率和電荷抽取機製；

(3) 頻率範圍覆蓋10 mHz-10 MHz，采樣率達到250 MS/s，時間分辨率達到5 ns；

(4) 可在手套箱場景使用，並可靈活耦合液氮、液氦等變溫恒溫器開展溫度依賴測試；

(5 )多種測試方法可在同一器件與溫度條件下執行，用於交叉驗證陷阱、遷移率、阻抗和複合相關結論。

4.2 產品優勢

(1) 陷阱態、遷移率、阻抗、瞬態和電緻發光多維聯測，是其區別於TranPVC專用瞬態路線的核心定位；

(2) 同一平台可交叉驗證不同測試方法所得的載流子與缺陷信息，提高機理研究的完整性；

(3) 面向光電轉換與電光轉換器件的模塊化配置，能夠減少多套儀器投入並建立統一數據測量流程；

(4) 同一系統執行多種機理測量，可減少樣品轉移和儀器條件差異，適合對複雜器件結論進行交叉驗證。

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