揭示钙钛矿太阳能电池中的掺杂密度及其对器件性能的影响

传统无机半导体可以进行高精度的电子掺杂。相反，关于金属卤化物钙钛矿中电子掺杂密度的评估仍存在推测，更不用说对其进行控制了。本文提出了一种多层面方法，用于确定一系列不同铅卤化物钙钛矿体系的电子掺杂密度。包括强度依赖和瞬态光致发光、交流霍尔效应、传输线方法以及电荷提取测量在内的光学和电学表征技术，有助于量化掺杂密度的上限。随后将获得的值与短路条件下电极上单位体积的电荷进行比较，该值约为 $10^{16}$ cm$^{-3}$。这个数值等于电容 $C$ 与内建电势 $V_\mathrm{bi}$ 的乘积，代表了临界极限，低于该极限时，掺杂诱导的电荷不会影响器件性能。实验结果一致表明，对于所有常见的铅基金属卤化物钙钛矿，其掺杂密度均低于此临界阈值（$<10^{12}$ cm$^{-3}$，即单位体积内 $<CV_\mathrm{bi}$）。然而，尽管掺杂诱导的电荷密度太低，不足以重新分布钙钛矿活性层中的内建电压，但移动离子的数量足以在活性层中形成空间电荷区，这让人联想到掺杂的 pn 结。这些结果得到了漂移-扩散模拟的有力支持，模拟证实如此低的掺杂密度不会影响器件性能。