混合无机-有机钙钛矿太阳能电池的效率主要受到捕获电荷载流子并导致无用重组的缺陷的限制。近日，美国北卡罗来纳大学黄劲松教授（通讯作者）报道了金属卤化物钙钛矿单晶和多晶太阳能电池中“陷阱”的空间和能量分布解析结果。其中，单晶中的陷阱密度相差五个数量级，最低值为2×10^11 cm-3，且大多数深陷阱位于晶体表面。相关论文以题为“Resolving spatial and energetic distributions of trap states in metalhalide perovskite solar cells”于2020年3月20日发表在Science上。
金属卤化物钙钛矿（MHPs）的光伏性能主要归因于其高的光吸收系数、高的载流子迁移率、长的电荷扩散长度和小Urbach能量。在MHPs中，缺陷耐受性最初被认为是其优异的载流子输运和特殊的复合性能的一个来源，这这主要是由于大多数点缺陷在钙钛矿中具有较低的形成能，不形成深电荷陷阱。同时随后的研究表明，钙钛矿材料表面和晶界的结构缺陷会导致深电荷陷阱，从而指导了钙钛矿太阳能电池钝化技术的发展。但这也仅仅是间接推断出来的。非辐射复合过程也会导致钙钛矿太阳能电池的能量损失，这与钙钛矿中的缺陷诱导陷阱密切相关。电荷陷阱在钙钛矿太阳能电池和其他器件的降解中起着重要作用。因此，了解陷阱态在空间和能量中的分布是理解电荷陷阱对钙钛矿材料和器件影响的最基本的因素之一。
其中， 热导纳光谱（TAS）和热刺激电流（TSDS）已经被广泛应用于钙钛矿太阳能电池中的陷阱态密度（tDOS）与能量的关系。这些方法通常可以从传导或价带边缘达到~0.55eV的陷阱深度，这对于大多数低带隙钙钛矿来说，这通常足够的。像表面光电压光谱和带隙光电流这样的技术能够探测宽带隙钙钛矿中存在的更深的陷阱态，采用亚带隙光致发光技术研究了钙钛矿中发光陷阱态的性质。
本文中，作者展示了一种最新基于电容的技术的激励电平电容压型（DLCP）方法，能够提供太阳能电池上的良好的载流子和陷阱密度的空间分布。同时绘制了钙钛矿单晶和多晶薄膜中陷阱的空间和能量分布图，然后对典型的平面结构太阳能电池中钙钛矿单晶和薄膜中缺陷密度和分布进行了简单的比较。此外，多晶膜界面的所有深度的电荷缺陷密度比薄膜内部的电荷缺陷密度大1~2个数量级，并且膜内部的曲线密度仍然比高质量的单晶大2~3个数量级。令人惊讶的是，在表面钝化后，钙钛矿和空穴传输层的界面附近检测到了大多数深陷阱，在那里嵌入了大量的纳米晶，从而限制太阳能电池的效率。
图1. DLCP技术。
图2. MAPbI3中陷阱的空间分布
图3. MAPbI3中的厚度与陷阱密度分布的关系
图4. 钙钛矿薄膜中陷阱的空间和能量分布
为了获取更高的效率，作者模拟了带隙为1.50和1.47eV的钙钛矿薄膜太阳能电池，分别对应于FA0.92MA0.08PbI3和FAPbI3。假设这些材料具有相同的缺陷密度，且捕获截面为规则多晶MAPBI3薄膜，则器件的PCE可达22.5%和22.8%。进一步的来说，当薄膜中的缺陷密度大大降低到与单晶中的缺陷密度相同时，效率可以进一步提高到27.7%和28.4%。
