Martin Neukom、Simon Züfle、Sandra Jenatsch 和 Beat Ruhstaller 在 2018 年共同发表了题为“Opto-electronic characterization of third-generation solar cells”的研究文章，该文章发表于 Science and Technology of Advanced Materials 期刊（ISSN: 1468-6996 (print), 1878-5514 (online)），文章链接为 https://doi.org/10.¹⁰⁸⁰⁄_14686996.2018.1442091。本文旨在系统性回顾并总结第三代太阳能电池的光电子学（opto-electronic）特性分析方法。

背景与目的

本文聚焦于第三代光伏技术（third-generation photovoltaics），包括基于有机材料、量子点、混合材料和钙钛矿（perovskite）等新型薄膜太阳能电池。相比传统的硅太阳能电池，这些新型设计在材料和器件结构上有极大的灵活性，因此其性能表征方法也必须更加复杂和精确。本文旨在通过系统性的综述和原位数值模拟，探讨广泛使用的测试手段和技术，帮助研究人员理解第三代太阳能电池的关键操作机制。此外，文章显示如何通过综合实验方法和数值分析提取有机太阳能电池（如PCDTBT:PC70BM 体系）的参数，为未来的材料筛选与优化提供了指导性路线。

光电子学特性分析技术（本文主要内容与方法）

本文详细介绍了多种光电子表征技术，以及这些技术如何被用于第三代太阳能电池的重要参数提取。以下为主要技术工作流与方法介绍：

1. 光电动作流程与模型

研究建立了一种基于漂移扩散模型（drift-diffusion model）的一维数值模拟框架，核心在于考虑了Langevin复合、陷阱与解陷（trapping and de-trapping）、Shockley-Read-Hall（SRH）复合和施主掺杂等物理现象。这一模型实现了对实验测量数据的全局拟合，从而对材料系统的关键电荷传输参数进行反演。模拟软件为 Setfos 4.5，该软件被广泛应用于有机和钙钛矿太阳能电池的分析。

2. 主要表征技术的操作与数据解读：

以下为各实验技术的具体概述、目的及数据分析流程：

（1）电流-电压特性（J-V Characterization）

通过模拟和实验结合的方法，本文对比了不同性能限制机制（如浅能级陷阱、深能级陷阱、低电荷迁移率、高复合速率等）如何在J-V曲线上体现。结果显示单独依赖J-V曲线无法明确辨别器件中的复杂非理想现象，因此需要结合其他技术以深入理解器件运行原理。

（2）开路电压与光强关系（Voc vs Light Intensity）

通过分析开路电压随光强的变化，提取了轻载理想因子（light ideality factor），以表征器件中的主要复合机制。计算结果表明：不同的陷阱类型会显著改变Voc的光强依赖性，其中深能级陷阱导致更陡的Voc斜率变化，体现了SRH复合的显著影响。

（3）CELIV（线性增长电压下的电荷提取）

CELIV 在提取电荷载流子迁移率和复合系数方面表现出优异的精确性。本文指出，通常的CELIV分析公式可能会高估或低估迁移率，尤其是在严重受限设备中。文章通过全物理建模对这些不一致性进行了解释。

（4）瞬态光电压（Transient Photovoltage，TPV）与开路电压衰减分析（OCVD）

文中详细解析了TPV如何估算载流子寿命及其复合特性，同时讨论了“载流子寿命”这一概念在p-i-n结构中的局限性。文章强调器件厚度及非均匀电荷分布对寿命测量的影响。

（5）深能级瞬态谱（Deep Level Transient Spectroscopy，DLTS）

模拟表明，基于电流类DLTS测量，可以准确提取有机材料中浅能级和深能级陷阱的特性和密度，但实际执行需注意器件的RC效应影响。

（6）瞬态光电流（Transient Photocurrent，TPC）

TPC测试揭示了光生电子的快速捕获效应、陷阱复合对电流峰值和建立时间的影响。文中指出，陷阱填充速度慢时，可能产生瞬态电流过冲现象。

（7）阻抗谱（Impedance Spectroscopy）

研究表明，阻抗谱在分离不同时间尺度的物理现象（如陷阱阻抗与电荷传输效应）方面具有独特优势。此外，陷阱填充的动态行为可以通过频率依赖商容行为反应。

关键研究结果与贡献

1. 多技术耦合：本文整合了涵盖稳态、瞬态和频域方法的测量技术，为材料参数的全面提取提供了可能性。
2. 深刻的机制分析：从深能级陷阱、低迁移率到非理想接触，文中通过逐一分析阐述了这些性能瓶颈如何限制太阳能电池的实际应用。
3. 模型验证：采用一个统一的漂移扩散模型，成功拟合了9种实验结果，为未来性能参数的误差最小化提供了技术参考。

本研究的科学意义与应用价值

本文所展示的综合实验与模拟结合技术，极大提升了研究人员在器件行为方面的解析能力。除针对当前兴起的有机材料-小分子体系外，这一方法框架也适用于钙钛矿、量子点等第三代光伏技术的发展。文中的实验设计及参数拟合注意到多种光伏材料中的普适物理机制（如电荷传输受限、电荷复合与陷阱行为等）。此外，该工作强调整合多个领域技术共同优化的思路，是未来太阳能电池跨领域研究的重要方法参考。

研究亮点

1. 提供一套统一的迁移率与复合系数提取方法。
2. 使用同一组参数拟合9种测量方法，首次实现全面的光伏器件表征。
3. 强调使用全数值建模进一步减少实验分析误差。

总结与展望

本文作为一篇针对第三代太阳能电池综述性研究，为研究者提供了详细的实验设计指引及模型验证步骤。通过链接多种测量技术与数值模拟，作者为性能参数测量提供了更高精确度的解决方案，同时也暴露了例如陷阱态、未均匀载流子分布等器件挑战。在未来工作中，研究者或可进一步研发基于2D与3D建模的解决方案，扩展文中方法的空间分辨率能力。