[论文解读] Charge Carrier Dynamics of Methylammonium Lead-Iodide Perovskite Solar Cells

Martin Neukom|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2016

Perovskite Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本硕士论文通过跨9个数量级时间尺度（微秒至分钟）的瞬态光电测量与漂移-扩散模拟，研究了甲基铵铅碘化物（MAPbI₃）钙钛矿太阳能电池中的载流子动力学。研究发现界面处因可移动离子导致电荷密度缓慢变化，而微秒至毫秒时间尺度内的快速瞬态响应则归因于载流子迁移率失衡与深能级空穴陷阱的共同作用，为钙钛矿器件中的滞后效应与动态行为提供了全面的机理解释。

ABSTRACT

Transient opto-electrical measurements of methylammonium lead iodide (MALI) perovskite solar cells (PSCs) are performed and analyzed in order to elucidate the operating mechanisms. The current response to a light pulse or voltage pulse shows an extraordinarily broad dynamic range covering 9 orders of magnitude in time - from microseconds to minutes - until steady-state is reached. Evidence of a slowly changing charge density at the perovskite layer boundaries is found, which is most probably caused by mobile ions. Current-voltage curves (IV curves) are measured with very fast scan-rate after keeping the cell for several seconds at a constant voltage as proposed by Tress et al. Numerical drift-diffusion simulations reproduce the measured IV curves using different distributions of ions in the model. Analysing the band diagram of the simulation result sheds light on the operating mechanism. To further investigate the effects at short time scales (below milliseconds) photo-generated charge extraction by linearly increasing voltage (photo-CELIV) experiments are performed. We postulate that mobility imbalance in combination with deep hole trapping leads to dynamic doping causing effects from microseconds to milliseconds. Comprehensive transient drift-diffusion simulations of the photo-CELIV experiments strengthen this hypothesis. This advanced characterization approach combining dynamic response measurements and numerical simulations represents a key step on the way to a comprehensive understanding of device working mechanisms in emerging perovskite solar cells.

研究动机与目标

• 理解甲基铵铅碘化物（MAPbI₃）钙钛矿太阳能电池中电流-电压滞后现象的起源。
• 研究从微秒到分钟时间尺度范围内的载流子动力学。
• 确定可移动离子与界面陷阱态在界面电荷积累及器件非理想性中的作用。
• 验证在快速瞬态区域中，由迁移率失衡与深能级空穴陷阱引发的动态掺杂机制。
• 建立结合实验与仿真的综合框架，用于新兴钙钛矿太阳能电池的器件物理分析。

提出的方法

• 采用光脉冲与电压脉冲进行瞬态光电测量，探测从微秒到分钟时间尺度的电流响应。
• 按照Tress等人提出的方案，在电压保持后进行快速扫描IV测量，以最小化滞后伪影。
• 通过线性增加电压的光致CELIV实验，研究1毫秒以下的电荷提取动力学。
• 采用具有可变离子分布的瞬态漂移-扩散模拟，重现实验测得的IV曲线与瞬态响应。
• 应用RC校正技术，以考虑瞬态电流测量中寄生电阻与电容的影响。
• 分析模拟的能带图，以解释观察到的电流瞬态与滞后现象背后的物理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光照停止后，MAPbI₃钙钛矿太阳能电池中为何会出现持续数分钟的缓慢电流响应？
• RQ2 可移动离子如何导致观测到的界面电荷密度变化及IV曲线中的滞后现象？
• RQ3 钙钛矿器件中微秒至毫秒时间尺度的快速瞬态响应背后的物理机制是什么？
• RQ4 电子与空穴迁移率失衡，结合深能级空穴陷阱，多大程度上导致动态掺杂效应？
• RQ5 数值漂移-扩散模拟能否定量再现真实器件中观测到的复杂瞬态行为？

主要发现

• 瞬态电流响应的时间跨度达九个数量级，从微秒至分钟，表明存在广泛的动态过程。
• 在钙钛矿层界面处发现了电荷密度缓慢变化的证据，强烈表明存在可移动离子。
• 微秒至毫秒时间尺度内的快速瞬态响应，归因于由迁移率失衡与深能级空穴陷阱引发的动态掺杂机制。
• 数值漂移-扩散模拟通过采用不同的离子分布，成功重现了实测的IV曲线，证实了离子迁移的作用。
• 光致CELIV实验及其模拟支持了空穴陷阱与电子-空穴迁移率失衡主导快速瞬态动力学的假设。
• 瞬态测量与多尺度仿真的结合方法，为理解钙钛矿太阳能电池中复杂的器件物理提供了稳健的分析框架。