一种钙钛矿器件的离子迁移与缺陷态联合表征优化方法

本发明涉及钙钛矿器件内部信息表征，具体而言，涉及一种钙钛矿器件的离子迁移与缺陷态联合表征优化方法。

背景技术：

1、钙钛矿器件主要指以有机~无机杂化金属卤化物钙钛矿材料为核心光吸收层或功能层的新型光电器件，如钙钛矿太阳能电池。钙钛矿器件具有优异的光电特性，在光伏、发光和探测等领域前景广阔。在钙钛矿器件的实际应用中，缺陷态作为非辐射复合中心，会直接降低器件的开路电压和填充因子，而离子迁移则会导致电流和电压迟滞，相分离及长期性能衰减，二者是决定器件性能与稳定性的关键因素。然而，缺陷态和离子迁移通常在相近的时间尺度上共同影响器件的电容响应，二者的耦合效应给单独分享和定量表征带来极大困难。

2、现有技术中的如深能级瞬态谱、热导纳谱等内部信息表征方法仅通过获取缺陷态或离子迁移的单一维度信息实现表征分析，难以对低频电容中离子迁移与陷阱俘获的耦合效应进行统一解析，且无法同时实现离子迁移参数和陷阱态参数的联合定量提取，严重制约对于钙钛矿器件的离子迁移与缺陷态联合表征技术的发展。

3、因此，怎样研发能够对缺陷态和离子迁移进行联合表征分析方法，以优化钙钛矿器件的性能和稳定性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有的钙钛矿器件内部信息表征方法仅通过获取离子迁移或缺陷态的单一维度信息实现表征分析，难以对低频电容中离子迁移与陷阱俘获的耦合效应进行统一解析，且无法同时实现离子迁移参数和缺陷态参数的联合定量提取，严重制约对于钙钛矿器件的离子迁移与缺陷态联合表征技术的发展的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种钙钛矿器件的离子迁移与缺陷态联合表征优化方法，包括：

3、在预设偏压序列中的每个偏压点下，采集预设频率区间中的每个频率点下的目标器件的复阻抗值并计算实际电容值，生成包括偏压、频率和实际电容值的对应关系的实际电容频谱矩阵；

4、基于实际电容频谱矩阵提取每个偏压点对应的频率序列和实际电容值，并根据每个频率点的频率对数和实际电容值构建每个偏压点的实际频谱曲线图；

5、根据每个偏压点的实际频谱曲线图，在预设频率划分规则下获取其对应的高频电容值、低频电容值、电容弛豫拐点频率以及电容台阶幅度；

6、预获取目标器件本征属性参数并输入仿真软件，以获取目标器件几何参数、初始离子迁移参数和初始陷阱态参数，并以高频电容值、低频电容值、电容弛豫拐点频率以及电容台阶幅度进行参数约束，构建物理场耦合仿真模型并输出仿真电容频谱矩阵；

7、基于参数优化算法对实际电容频谱矩阵和仿真电容频谱矩阵进行对比处理，将对比差值输入参数优化函数进行迭代计算，以在参数优化函数收敛至预设阈值或达到最大迭代次数时，输出优化离子迁移参数和优化缺陷态参数。

8、作为可选的是，所述在预设偏压序列中的每个偏压点下，采集预设频率区间中的每个频率点下的目标器件的复阻抗值并计算实际电容值，生成包括偏压、频率和实际电容值的对应关系的实际电容频谱矩阵，具体包括：

9、通过阻抗分析仪设置预设偏压序列，并在预设偏压序列中的每个偏压点下，基于对数扫描采集1mhz~5mhz中的每个频率点下的目标器件的复阻抗值；

10、基于复阻抗值，结合复阻抗公式计算每个频率点下的目标器件的实际电容值；

11、并生成包括偏压、频率和实际电容值的对应关系的实际电容频谱矩阵。

12、作为可选的是，所述通过阻抗分析仪设置并在预设偏压序列中的每个偏压点下，基于对数扫描采集1~5mhz中的每个频率点下的目标器件的复阻抗值的同时，还包括：

13、通过控制设备设定阻抗分析仪的交流扰动电压的有效值；

14、并开启阻抗分析仪的电流信号解调器和电压信号解调器，以对目标器件进行同步锁相放大检测，并将滤波器阶数设置为大于阶数阈值。

15、作为可选的是，所述基于实际电容频谱矩阵提取每个偏压点对应的频率序列和实际电容值，并根据每个频率点的频率对数和实际电容值构建每个偏压点的实际频谱曲线图，具体包括：

16、基于实际电容频谱矩阵提取每个偏压点对应的频率序列和实际电容值；

17、以频率序列中的频率点的频率对数为横坐标，实际电容值为纵坐标构建对数坐标系，并根据每个频率点的频率对数和对应实际电容值构建每个偏压点的实际频谱曲线图。

18、作为可选的是，所述根据每个偏压点的实际频谱曲线图，在预设频率划分规则下获取其对应的高频电容值、低频电容值、电容弛豫拐点频率以及电容台阶幅度，具体包括：

19、基于预设频率划分规则，识别实际频谱曲线图中的频率均大于预获取高频阈值的曲线高频平台段，以获取高频电容平台区间并在其内选取高频电容值；

20、识别实际频谱曲线图中的频率均小于预获取低频阈值的曲线低频平台段，以获取低频电容平台区间并在其内选取低频电容值；

21、识别曲线高频平台段向曲线低频平台段过渡的拐点频度区间，并在拐点频率区间内提取与预获取拐点阈值相同的频率定义为电容弛豫拐点频率；

22、基于低频电容值与高频电容值的差值，获取电容台阶幅度。

23、作为可选的是，所述预获取目标器件本征属性参数并输入仿真软件，以获取目标器件几何参数、初始离子迁移参数和初始陷阱态参数，并以高频电容值、低频电容值、电容弛豫拐点频率以及电容台阶幅度进行参数约束，构建物理场耦合仿真模型并输出仿真电容频谱矩阵，具体包括：

24、将预获取目标器件本征属性参数输入仿真软件；

25、基于仿真软件中的dde方程组获取目标器件几何参数；

26、基于仿真软件中的n-p方程获取初始离子迁移参数；

27、基于仿真软件中的srh模型获取初始陷阱态参数；

28、将高频电容值、低频电容值、电容弛豫拐点频率以及电容台阶幅度输入仿真软件进行参数约束，以构建物理场耦合仿真模型并输出仿真电容频谱矩阵。

29、作为可选的是，所述将高频电容值、低频电容值、电容弛豫拐点频率以及电容台阶幅度输入仿真软件进行参数约束，以构建物理场耦合仿真模型并输出仿真电容频谱矩阵，具体包括：

30、将高频电容值、低频电容值、电容弛豫拐点频率以及电容台阶幅度输入仿真软件进行参数约束，以构建物理场耦合仿真模型；

31、向物理场耦合仿真模型输入仿真偏压序列、仿真频率区间、交流扰动电压的仿真值以及滤波器仿真阶数，以输出仿真电容频谱矩阵。

32、作为可选的是，所述基于参数优化算法对实际电容频谱矩阵和仿真电容频谱矩阵进行对比处理，将对比差值输入参数优化函数进行迭代计算，以在参数优化函数收敛至预设阈值或达到最大迭代次数时，输出优化离子迁移参数和优化缺陷态参数，具体包括：

33、基于最小二乘法对实际电容频谱矩阵和仿真电容频谱矩阵进行对比处理并获取对比差值；

34、将对比差值输入参数优化目标函数，以在参数优化目标函数收敛至预设阈值或达到最大迭代次数时，输出优化离子迁移参数和优化缺陷态参数。

35、作为可选的是，所述将对比差值输入参数优化目标函数，以在参数优化目标函数收敛至预设阈值或达到最大迭代次数时，输出优化离子迁移参数和优化缺陷态参数，具体包括：

36、将对比差值输入参数优化目标函数，得到：

37、

38、式中：

39、表示为仿真电容频谱矩阵；

40、表示为测量不确定度；

41、以当收敛至预设阈值或达到最大迭代次数时，输出优化离子迁移参数和优化缺陷态参数，

42、其中，优化离子迁移参数包括优化离子迁移率，优化离子扩散系数、优化可迁移离子浓度以及优化离子活化能；优化缺陷态参数包括优化陷阱能级深度、优化电子俘获截面、优化空穴俘获截面、优化陷阱态总密度以及优化能量分布宽度。

43、作为可选的是，所述将对比差值输入参数优化目标函数，以在参数优化目标函数收敛至预设阈值或达到最大迭代次数时，输出优化离子迁移参数和优化缺陷态参数的同时，还包括：

44、在参数优化目标函数收敛至预设阈值或达到最大迭代次数时，输出优化离子迁移参数的置信区间和优化缺陷态参数的置信区间。

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

46、本发明提出的钙钛矿器件的离子迁移与缺陷态联合表征优化方法，通过生成实际电容频谱矩阵，实现对目标器件不同工作状态下预设频段电容响应信息的完整获取，为耦合效应解析提供全面的实验数据基础；再通过提取特征参数，实现对高频几何电容、中频陷阱响应、低频离子+深陷阱响应的初步物理机制划分，为后续模型约束提供精准的实验锚点；又通过引入目标器件本征属性参数并结合实验特征参数构建物理场耦合仿真模型，实现对陷阱俘获与离子迁移耦合物理过程的数字化复现；还利用参数优化算法迭代对比差值，实现对离子迁移参数与缺陷态参数的同步定量提取与解耦，彻底解决现有技术无法统一解析耦合效应、仅能获取单一维度信息的难题，为钙钛矿器件的缺陷调控与稳定性提升提供兼具物理可靠性与定量精度的核心依据。

47、根据以上内容可知，采用本发明的技术方案能够有效地解决现有的钙钛矿器件内部信息表征方法仅通过获取离子迁移或缺陷态的单一维度信息实现表征分析，难以对低频电容中离子迁移与陷阱俘获的耦合效应进行统一解析，且无法同时实现离子迁移参数和缺陷态参数的联合定量提取，严重制约对于钙钛矿器件的离子迁移与缺陷态联合表征技术的发展的问题。

48、本发明的其他特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。