太陽(yáng)能電池分析技術(shù)(3)：瞬態(tài)光電壓 TPV、開(kāi)路電壓衰減 OCVD
更新時(shí)間：2022-03-30 點(diǎn)擊量：8616
本系列文章將介紹用于有機和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的不同光電表征技術(shù)，同時(shí)提取和分析重要的器件參數，例如穩態(tài)性能、瞬態(tài)光電壓、瞬態(tài)光電流、電荷載流子遷移率、電荷密度、陷阱密度、阻抗、理想因子等。
開(kāi)路電壓衰減 OCVD
在開(kāi)路條件下，太陽(yáng)能電池中外部電流為零。因此，電荷產(chǎn)生等于復合的電荷。開(kāi)路條件下通常適合于研究太陽(yáng)能電池中的載流子再復合和陷阱動(dòng)力學(xué)。開(kāi)路電壓衰減（OCVD，有時(shí)也稱(chēng)為大信號瞬態(tài)光電壓TPV）測量揭示了器件的復合和并聯(lián)電阻的信息。在OCVD測量中，首先由光源LED或激光照射太陽(yáng)能電池，以產(chǎn)生電荷載流子，接著(zhù)關(guān)閉光源并測量電壓隨時(shí)間的衰減。
圖1 顯示了多種 OCVD 模擬仿真結果。所有實(shí)例都有一個(gè)共同點(diǎn)，即在光源關(guān)閉后超過(guò) 50ms 時(shí)電壓顯著(zhù)下降，這與并聯(lián)電阻有關(guān)。在“低并聯(lián)電阻"的情況下，對“基本案例（Base case）"影響最為明顯（圖1（d））。電荷不是緩慢地復合，而是流過(guò)并聯(lián)電阻并在器件中耗盡。當分流電阻降低時(shí)，電壓衰減得更快?；景咐⒙?lián)電阻為 160MΩ，50ms 處的拐點(diǎn)是由該并聯(lián)電阻引起的，50ms 之前的電壓衰減與時(shí)間呈現出對數關(guān)系。在深陷阱的情況下，衰減率更快，如圖1（c）所示。對于淺陷阱，電壓衰減較慢，因為在陷阱延遲復合時(shí)電荷被固定。在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，光源關(guān)閉后觀(guān)察到的持續性電壓，這可能是由移動(dòng)離子引起的。圖1. 表1中各種情況的OCVD 模擬。光源在T=0 時(shí)關(guān)閉?；揖€(xiàn)表示解析（方程（3）），假設電荷密度均勻和純雙分子復合。太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓 Voc 可表示為：其中 Eg 是禁帶寬度，q 是單位電荷，kB 是玻爾茲曼常數，T 是溫度，N0 是有效狀態(tài)密度，n 是電子密度，p 是空穴密度。當均勻電荷載流子密度（dn/dt = ?β?n2，n = p）的衰減代入方程（圖2）時(shí)，我們得到其中n（0）是開(kāi)路時(shí)的初始電荷載流子密度，β 是復合前因子。根據等式（圖2），電壓信號會(huì )隨時(shí)間呈對數相關(guān)性衰減。這在（圖1）的圖中顯示為灰線(xiàn)。參數 β 是根據"基本"情況選擇的。（圖3）只適合最開(kāi)始的數值模擬，原因是電荷在器件內部分布不均勻?？拷姌O，密度更高，電荷緩慢流入器件的中間并復合。因此，該零維模型不適合描述器件中有p-i-n 結構時(shí)的開(kāi)路電壓衰減；類(lèi)似的，也可以通過(guò)本系列《太陽(yáng)能電池分析技術(shù)》中提到的其他方法，例如使用 CELIV線(xiàn)性增壓中的OTRACE 方法可抽取載流子的復合系數，或者通過(guò)瞬態(tài)光電壓 TPV 或強度調制光電壓譜 IMVS 來(lái)測量載流子壽命。綜上，OCVD 測量無(wú)法直接獲得期望的材料參數。但是，可用于不同的器件比較或通過(guò)數值擬合模擬來(lái)提取相關(guān)參數。
OCVD測試：開(kāi)路電壓-時(shí)間曲線(xiàn)
OCVD測試：歸一化電壓衰減-時(shí)間曲線(xiàn)
TPV瞬態(tài)光電壓和電荷載流子壽命
瞬態(tài)光電壓（小信號瞬態(tài)光電壓 TPV）經(jīng)常被用于確定有機太陽(yáng)能電池中電荷載流子的壽命。"電荷載流子壽命"的概念源于硅太陽(yáng)能電池，描述了少數電荷載流子在摻雜體材料中平均存活時(shí)長(cháng)。少數電荷載流子壽命 τ 的一般定義是其中 n 是電荷載流子密度（電子或空穴），R 是復合電流。在具有高均勻的摻雜濃度（多數電荷載流子）的器件中，少數電荷載流子的壽命在空間和時(shí)間上是恒定的。在 p-i-n 結構中，電荷載流子在本征區產(chǎn)生并傳遞到電子和空穴接觸層。本征區沒(méi)有摻雜，因此也沒(méi)有明確的多數或少數載流子；在開(kāi)路時(shí)，電子和空穴密度也會(huì )發(fā)生空間變化。因此，在 p-i-n 結構中并沒(méi)有明確定義電荷載流子壽命與位置有關(guān)性。因此，基于測量的"電荷載流子壽命"的物理結論可能會(huì )引發(fā)誤導。盡管有這些限制，通常也會(huì )測量薄 p-i-n 結構器件中載流子壽命 。作為補充，我們給出了詳細的瞬態(tài)光電壓TPV載流子壽命，并與理論壽命進(jìn)行對比，通常模擬的壽命與理論壽命相匹配情況很少。在薄器件中通常測量的是電容放電而不是Bulk中的電荷載流子壽命。在 瞬態(tài)光電壓TPV 實(shí)驗中，太陽(yáng)能電池在偏置光下保持在開(kāi)路電壓；接著(zhù)疊加一個(gè)額外的微小光脈沖（或LED脈沖）到器件上，以產(chǎn)生一些額外的電荷并呈指數衰減。如果光脈沖足夠小，假設光生載流子密度變化與光電壓增加（Δn~ΔV）成正比，電壓衰減為其中 Voc 是偏置光下的開(kāi)路電壓，ΔV 是由于微小光脈沖引起的電壓增量，τ 是少數載流子壽命。通過(guò) TPV 實(shí)驗，可以直接從指數電壓衰減計算出偏置光下的電荷載流子壽命。
TPV 并不是直接測量穩態(tài)下電荷載流子的壽命，為了獲得穩態(tài)載流子壽命，TPV 壽命需要乘以反應階數（通常表示為 λ + 1 ）。
TPV測試：光脈沖引起的電壓增量-時(shí)間曲線(xiàn)
TPV測試：載流子壽命-光強關(guān)系曲線(xiàn)
