钙钛矿太阳能电池中接触界面电荷提取缺陷的简易检测新方法

本文介绍了一种基于内量子效率(IQE)光谱分析的新型检测方法，能够定量评估钙钛矿太阳能电池(PSCs)中的界面电荷收集效率。该方法通过弱吸收和强吸收区域的线性化分析，首次实现了对平均收集效率(?f?C?)和界面收集效率(fC(0))的同步测定，突破了传统IQE模型对完美电荷提取的假设限制。研究发现无电子传输层(ETL)器件的界面提取效率显著降低至60%，揭示了接触不对称性对载流子收集的关键影响。该方法为优化界面工程提供了直接诊断工具，对推进高效稳定钙钛矿光伏器件开发具有重要意义。

　　

引言：钙钛矿太阳能电池的界面收集挑战

金属卤化物钙钛矿(MHPs)在十年内实现了超过26%的认证光电转换效率(PCE)，但其界面电荷收集损失的定量评估仍缺乏简易方法。传统半导体分析模型基于掺杂调控的载流子浓度和明确内建电场的假设，而钙钛矿的本征特性与离子迁移导致的电场屏蔽效应使这些模型失效。尤其关键的是，钙钛矿器件的电荷选择性传输层存在非理想边界条件，其有限的提取速度(S_ext)和复合速度使界面收集效率难以直接测量。

方法论基础：从IQE光谱解析收集效率

研究团队建立了基于内量子效率(IQE)的物理模型。IQE定义为吸收光子产生收集载流子的概率，其数学表达为收集效率函数f_C(x)与光生载流子生成率g(x,λ)的积分。通过推导强吸收区(α^-1 ? d)和弱吸收区(α^-1 ? d)的极限表达式，发现：

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  强吸收区：IQE与α^-1呈线性关系，截距对应前表面收集效率f_C(0)
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  弱吸收区：IQE与α呈线性关系，斜率包含平均收集效率?f?_C?和光路增强因子f_path

非完美提取的解析模型

针对有限提取速度的界面，推导出双极扩散条件下的收集效率解析式。当扩散长度远大于活性层厚度(L_a ? d)时，前表面收集效率简化为f_C(0) = S_ext/(S_ext + S_b)，明确揭示界面提取与背表面复合的竞争关系。该模型首次将提取速度参数化，突破了传统理想结模型的限制。

实验结果与界面效率量化

对CsPbI₃、MAPbI₃和FAPbI₃三种钙钛矿器件的测试表明：

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  完整器件（含ETL）的前表面收集效率达92-96%
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  无ETL器件(FAPbI₃-2)的f_C(0)骤降至60.6%，且梯度f′_C(0)达11.6×10^-4 nm^-1，证实背界面复合加剧
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  弱吸收区分析显示无ETL器件的平均收集效率仅为完整器件的1/3

收集效率重构验证

通过线性近似f_C(x) ≈ f_C(0) + f′_C(0)x重构的IQE曲线与实验数据高度吻合（误差<3%）。对无ETL器件的逆问题求解进一步获得精确的f_C(x)分布，拟合结果显示双极扩散长度L_a=270 nm，且S_ext/D_a < S_b/D_a，证实背接触复合主导性能限制。

讨论：界面收集损失的物理起源

非理想收集效率源于四大机制：界面能带失配、高缺陷密度、传输层低迁移率及离子屏蔽效应。本研究通过稳态IQE分析剥离了体相与界面贡献，特别指出在高效器件中（L_a > d），电场屏蔽并非主要限制因素，而接触不对称性导致的提取-复合竞争才是关键。无ETL器件中，金属-钙钛矿直接接触引发的高复合速度(S_b)使收集效率受限于f_C(0) = S_ext/(S_ext+S_b)的简单关系。

结论与展望

该工作建立的IQE线性化分析方法为钙钛矿太阳能电池的界面优化提供了快速诊断工具。通过量化提取速度与复合速度的竞争关系，明确了界面工程的重点方向。未来结合电致发光等表征手段，可进一步揭示不同工作条件下的收集效率动态演变，为突破钙钛矿器件效率瓶颈提供新范式。