论文概览
理解并量化界面处的电荷收集对于优化太阳能电池性能至关重要，尤其是在界面损耗日益成为器件效率限制因素的背景下。尽管界面收集效率极为重要，但通过常规测量手段难以直接评估。德国德累斯顿工业大学Yana Vaynzof 团队提出了一种新型分析方法，通过弱吸收与强吸收区间内的内量子效率计算光电子参数。该方法可解析平均收集效率与前表面收集效率等关键物理参数，从而揭示钙钛矿太阳能电池中存在的载流子收集缺陷。通过对比分析带有/不带有电子传输层的器件，研究清晰展现了界面提取效率的显著差异，验证了该方法的实用性。结果表明，总收集效率无法通过简单的电子-空穴收集相乘或相加模型描述，而是反映出由提取速度主导的复杂相互作用。这种新方法无需依赖瞬态测试技术或传统假设载流子完美提取的IQE模型，即可实现器件界面的快速评估。相关成果以“Simple Detection of Imperfect Charge Extraction at Contacts - Application to Perovskite Solar Cells”为题发表在期刊Advanced Energy Materials 上。
技术亮点
1. 利用不同吸收区域的IQE特性进行快速诊断: 该方法创新性地通过分析器件在弱吸收和强吸收两个极端光学区间的内量子效率数据，来推算关键的电荷收集参数，从而绕开了复杂的瞬态测试。
2. 揭示了提取速度对电荷收集的关键作用: 研究结果表明，器件的总电荷收集情况无法用简单的电子/空穴收集模型描述，而是由载流子的提取速度这一关键物理量所主导的复杂相互作用决定。
3. 实现了对界面电荷提取效率的便捷量化: 此方法提供了一种不依赖昂贵或复杂设备的快速评估手段，能有效地量化界面处的电荷提取效率，为优化电荷传输层和接触界面提供了直接的实验依据。
研究意义
✅提供了快速诊断界面问题的工具：该研究开发了一种仅通过稳态IQE测量即可量化界面电荷提取效率的方法，为识别性能限制因素提供了前所未有的便捷手段，极大地降低了研究和优化的门槛。
✅ 揭示了传统模型可能忽略的关键损失机制：它证实了钙钛矿电池中的电荷收集不能简单地用理想的pn结模型来描述，而是由有限的“提取速度”主导，这将研究焦点从体相材料进一步引向了至关重要的接触界面。
✅ 为精准优化器件指明了方向：通过将宏观的IQE数据与微观的物理参数（如提取速度、界面复合）联系起来，该方法能够指导研究人员有针对性地优化电荷传输层或界面工程，从而高效地提升器件性能。
深度精度
1. 本研究建立了一套通过内量子效率分析来量化太阳能电池中电荷收集特性的理论模型:
该模型的核心在于利用光吸收的两种极端情况——弱吸收与强吸收区域，来推导IQE的简化表达式。在弱吸收区域，IQE与有效吸收系数呈线性关系，可估算整个活性层的平均电荷收集效率；而在强吸收区域，IQE与吸收系数的倒数呈线性关系，其截距直接反映了前表面处的电荷收集效率。研究进一步引入了有限提取速度的概念，推导出了适用于非理想结的电荷收集效率解析表达式，涵盖了少数载流子扩散和双极扩散两种传输机制。该分析方法能够解析出关键的传输与复合参数，如载流子扩散长度、界面复合速度以及提取速度，为评估界面处的电荷提取效率提供了强有力的工具，而无需依赖复杂的瞬态测试技术。
2.对比内量子效率与反射光谱，揭示了电子传输层对器件性能的关键作用：结果显示，具有完整电子传输层的FAPbI₃-1器件表现出近乎理想的IQE特性，而缺失ETL的FAPbI₃-2器件则因载流子收集受限和界面复合加剧，导致其IQE曲线与光伏性能显著下降。值得注意的是，研究选择移除ETL而非空穴传输层，旨在避免后者对钙钛矿晶化过程的影响。此外，CsPbI₃与MAPbI₃的吸收层厚度（约280 nm）仅为FAPbI₃样品（约800 nm）的三分之一，这为理解不同钙钛矿体系的光电特性差异提供了重要视角。
3.在强吸收区域分析内量子效率与吸收系数倒数的关系，量化不同钙钛矿太阳能电池前界面处的电荷收集特性：
根据吸收系数与活性层厚度，研究确定了CsPbI₃、MAPbI₃和FAPbI₃器件强吸收区的判定标准分别为𝛼⁻¹ < 140 nm、135 nm和400 nm。线性拟合结果显示，所有器件的前表面收集效率fC(0)均小于1，证实了接触界面存在不完全的载流子提取。特别值得注意的是，缺失电子传输层的FAPbI₃-2器件fC(0)值仅为0.6，显著低于标准器件（0.96），这被归因于钙钛矿/金属背界面处的高复合速度导致的载流子提取不对称。研究进一步通过传统IQE⁻¹与𝛼⁻¹作图验证了该分析方法的可靠性，同时指出本文采用的IQE-𝛼⁻¹线性关系能提供更精确的界面提取参数评估。
4. 通过对弱吸收区域的内量子效率分析，揭示了不同钙钛矿太阳能电池的光学特性和电荷收集能力差异：
光学路径增强因子分析显示，FAPbI₃电池的fpath值接近1，而CsPbI₃和MAPbI₃器件分别达到3.6和3.0。这种差异主要源于吸收层厚度的影响——CsPbI₃和MAPbI₃的活性层厚度（≈280 nm）仅为FAPbI₃（≈800 nm）的三分之一，使得前者对背表面粗糙度引起的光陷阱效应更为敏感，这一机制在带隙更高的CsPbI₃器件中尤为显著。更重要的是，通过弱吸收区斜率分析发现，无电子传输层的FAPbI₃-2器件的斜率仅为完整器件的三分之一，表明其平均电荷收集效率大幅降低。后续详细分析证实，无ETL器件的平均收集效率为0.28，而完整器件达到0.86，这一结果不仅验证了分析方法的准确性，更凸显了电子传输层在维持高效电荷收集中的关键作用，其缺失导致背界面复合加剧，显著降低了整体性能。
5. 通过将基于线性化数据重建的内量子效率曲线与实测光谱进行对比，验证了前述分析方法的有效性与自洽性：
研究发现，除缺失电子传输层的FAPbI₃-2器件外，其他器件在中心光谱区域均表现出较弱的波长依赖性，这表明其具有较高的载流子扩散长度和较低的背界面复合率，因此收集效率随位置变化较小。研究者采用泰勒展开近似fC(x)≈ fC(0) + f’C(0)x，结合实测的前表面反射率与计算得到的背反射率及前层透射率，成功重建了IQE曲线。重建曲线与实测光谱在整个波长范围内高度吻合，特别是在强吸收区域，这不仅证实了基于泰勒近似的收集函数模型的正确性，也支持了界面主导电荷提取的假设。该结果表明，仅通过前表面收集效率及其空间梯度这两个参数即可捕捉IQE的主要特征，且无论吸收层中的传输机制如何，均可通过静态光电测量获得有意义的界面收集信息，从而避免了瞬态测试技术的复杂性。
6. 通过对比完整器件FAPbI3-1与无电子传输层器件FAPbI3-2的电荷收集效率函数fC(x)，深入揭示了界面结构对器件性能的影响机制：
对于完整器件，线性近似模型能完美重建其IQE曲线，验证了线性化方法提取fC(0)、f’C(0)和fpath参数的准确性。然而在无ETL器件中，线性近似仅能提供粗略估计，而通过反问题求解获得的fC(x)函数则与实验数据高度吻合。进一步基于双极扩散模型的拟合结果显示，无ETL器件的双极扩散长度仅为270 nm，远低于预期值（>800 nm），这源于银电极直接蒸发导致的钙钛矿表面缺陷和降解。拟合参数表明该器件中背接触复合速度Sb远大于提取速度Sext，载流子在背接触处的复合速率远超提取速率，严重破坏了接触选择性，这也解释了其开路电压从1.08 V显著降低至0.74 V的现象。研究最后提出了一套系统的实验分析流程，通过强/弱吸收区域的IQE分析即可量化关键性能参数，为在复杂界面条件下评估钙钛矿电池性能提供了实用工具。
结论展望
本研究对钙钛矿太阳能电池中不完美电荷收集的复杂机理进行了深入剖析，指出该问题远非仅由移动离子效应所能解释，而是一个由界面能带失配、高缺陷密度、电荷传输层低迁移率及离子诱导电场屏蔽等多因素共同作用的系统性问题。研究建立的IQE分析框架成功克服了传统模型的局限，通过强/弱吸收区间的线性化处理，实现了对界面提取速度和复合速度等关键物理参数的精准提取。该方法在无偏压光照的稳态测量条件下具有高度可重复性，其独特的“状态依赖性”非但不是缺陷，反而成为诊断不同界面结构对外界刺激响应的有效特征。展望未来，这一分析方法为理解钙钛矿电池中电荷收集机制提供了强大工具，特别适用于表征本征性强、离子迁移显著的材料体系。通过将复杂的界面提取问题转化为可量化的物理参数，该研究为针对性优化器件结构、加速新型电荷传输材料的开发指明了方向，对推动钙钛矿及其他薄膜光伏技术的性能提升具有重要指导意义。
文献来源
Taretto, Kurt, et al. Simple Detection of Imperfect Charge Extraction at Contacts–Application to Perovskite Solar Cells. Advanced Energy Materials (2025)
https://doi.org/10.1002/aenm.202504734
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索比光伏网 https://news.solarbe.com/202510/24/50010905.html
