钙钛矿太阳能电池（PSC）教程 - 第 D 部分（输出与更深入理解）

1. 电学参数

你可以通过点击主界面中的 Electrical parameters 按钮来打开电学参数编辑器 （见 ??）。 该编辑器允许你调整迁移率、复合常数、陷阱模型， 以及与 active layers 相关的其他过程。 器件的每个有源层都会在窗口中以独立的选项卡显示。 Spiro、MAPI 与 TiO₂ 层的示例如 ??、 ?? 与 ?? 所示。 在 Layer editor 中标记为 active 的任意层都会出现在这里。

顶部工具栏用于启用或禁用特定物理机理——按下按钮即可开启机理：

• Drift–diffusion ：对任何 active 层通常都启用；仅在堆叠中的绝缘层（例如 OFET 栅介质）中关闭，因为其中不求解可移动电荷。
• Auger 复合：在钙钛矿器件中很少使用；主要与非常高的载流子密度相关（LED/激光器、聚光照明）。
• 动态 Shockley–Read–Hall（SRH）陷阱 与 平衡态 SRH 陷阱：用于描述通过陷阱态的复合；更常用于有机半导体，但也可应用于钙钛矿。
• 激子：用于 OPV 的激子/同生复合模型，以及用于 OLED 的单线态/三线态模型；通常不为钙钛矿太阳能电池启用。

2. 钙钛矿中的双分子复合

在钙钛矿太阳能电池中，复合可通过两条主要路径发生：陷阱辅助（Shockley–Read–Hall） 与 自由-自由（双分子） 复合。陷阱介导复合通常很重要，但在钙钛矿中陷阱一般较浅（≈20 meV）。由于载流子可以很容易从这些陷阱中逃逸，其总体效应往往可以用更简单的 自由-自由复合模型来近似。

R(x) = k · n(x) · p(x)

这里，R(x) 是复合速率，k 是双分子速率常数，而 n(x)、p(x) 是局域电子与空穴密度。增大 k 会缩短载流子寿命并降低稳态密度；减小它则允许 载流子在器件中存留更久。

3. 钙钛矿中的迁移率、复合、寿命与 μτ 乘积

在钙钛矿太阳能电池中，器件性能最关键的两个参数是 载流子迁移率（μ）与 自由-自由（双分子）复合常数（k）。 在 OghmaNano 中，它们在 Electrical Parameter Editor 中设置： Electron mobility 与 Hole mobility 字段定义 μ，而 n_free → p_free recombination rate constant 字段定义 k （见 自由-自由复合）。

迁移率控制载流子漂移到接触的速度：更高的 μ 意味着载流子移动更快， 从而降低其复合概率。复合常数 k 设定 载流子寿命（τ）。 k 的值越大，τ 越短；k 越小，τ 越长。一个简化关系为：

τ ≈ 1 / (k · n)

其中 n 是载流子浓度。这强调了复合速率在钙钛矿中为何如此重要： 钙钛矿由于吸收优异，常在较高载流子密度下工作。 k 的微小变化就可能显著改变 τ，从而改变 复合与抽取之间的平衡。

迁移率与寿命共同决定 μτ 乘积（μ·τ），它表示载流子在复合前 能够行进的平均距离。更大的 μτ 可提高光生载流子到达接触的概率， 从而提升电流与效率。在钙钛矿中，高 μτ 值是这些材料即使在相对较厚的有源层下 仍能获得较强性能的原因之一。 尽管 μτ 不是器件质量的唯一描述符——光学吸收、能级对齐、 以及接触选择性等因素也起重要作用—— 它仍然是评估输运–复合平衡的一个有价值指标。