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。
深能級瞬態(tài)光譜(DLTS)
深能級瞬態(tài)光譜 (DLTS) 是一種用于研究半導體及光伏器件中電荷載流子陷阱的技術(shù)。用于提取有關(guān)陷阱密度和陷阱分布的重要信息。
圖1
DLTS測試中,在不同溫度下施加不同電壓信號,測量隨時(shí)間的推移電容、電流(i-DLTS)或電荷(Q-DLTS)的變化。DLTS用于測量GaAs半導體器件在不同溫度下的電容瞬態(tài)變化,該技術(shù)有望測量多數和少數載流子陷阱的陷阱譜(陷阱密度與能量陷阱深度)以及捕獲截面,DLTS也被廣泛用于研究無(wú)機半導體中的缺陷分布。但DLTS在有機半導體中的應用有限,因為它們的遷移率太低,RC效應通常太高。
然而,請注意也可精確測量有機、鈣鈦礦或量子點(diǎn)中的陷阱譜。當測量基于電容的DLTS時(shí),探測頻率必須足夠小,為了可以測量空間電荷電容。在測量基于電流的DLTS時(shí),適當扣除位移電流并以高電流分辨率進(jìn)行測量很重要。DLTS用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,以確定陷阱能量和密度。然而,務(wù)必仔細解釋這類(lèi)結果,因為移動(dòng)離子的存在可能會(huì )干擾測量。
本文對基于電流的DLTS進(jìn)行了模擬仿真。 在暗態(tài)下對器件施加負向電壓(0至?5 V),同時(shí)分析瞬態(tài)電流響應,除了由RC效應引起的位移電流外,還有來(lái)自陷阱激發(fā)的小電流。離散能級陷阱的陷阱激發(fā)電流jte可以描述為
圖2
其中 τte是陷阱激發(fā)時(shí)間常數,q是單位電荷,d為器件厚度(或厚器件中的耗盡寬度),Nt是陷阱體積密度。陷阱發(fā)射時(shí)間τte是陷阱發(fā)射率 et 的倒數,描述為
圖3
其中 ct是陷阱捕獲率,N0是狀態(tài)密度,ΔE為陷阱深度,kB玻爾茲曼常數,T是溫度。陷阱捕獲率 ct可以被視為包括捕獲截面的材料常數。對于無(wú)機半導體,陷阱激發(fā)時(shí)間包括另一個(gè)因子1/T2,可理解為熱速度的溫度依賴(lài)性和狀態(tài)密度的溫度依賴(lài)性。
我們區分來(lái)自陷阱載流子熱激發(fā)兩種不同形式的電流衰減。單一陷阱能級的激發(fā)電流(圖2)呈指數衰減,且指數拖尾的激發(fā)電流顯示出冪規律衰減。
Street在關(guān)閉光照后,借助指數拖尾載流子熱發(fā)射分析了電流衰減。這種瞬態(tài)光電流TPC衰減與DLTS電流在傳輸時(shí)間(渡越時(shí)間)后的電流衰減是一致的。來(lái)自指數帶尾 N(E) = ND?exp(?E/E0) 的激發(fā)電流jem被描述為
圖4
其中 N(E) 是作為能量函數的狀態(tài)密度,ND 是 0 eV 處的密度,單位為 cm-3 eV-1,E是從帶邊Band edge(E = 0)到帶隙Band-Gap的能量,E0是拖尾斜率,q為單位電荷,d器件厚度,kB玻爾茲曼常數,T 為溫度,ω 為逃逸因子(大約為 1*1012 1/s)。
為了說(shuō)明不同的電流衰減形狀,我們計算了兩種不同密度狀態(tài)的激發(fā)電流。首先,借助費米-狄拉克統計法用電荷填充狀態(tài)密度,然后計算激發(fā)電流隨時(shí)間的變化,器件內部的電荷傳輸可以被忽略。圖5 顯示了指數型Trap-DOS和高斯型Trap-DOS的載流子分布和激發(fā)電流。最初的費米能級被選為0.2 eV。因此,圖5(b)中的Trap-DOS被*填充,指數尾部填充低于0.2 eV,指數DOS隨時(shí)間變化的發(fā)射電流遵循冪規律衰減(圖5(c));并且使用方程 (4) 可以很好地描述更長(cháng)時(shí)間的激發(fā)電流。來(lái)自高斯型Trap-DOS 的激發(fā)呈指數型,并可由方程 (2) 表示。實(shí)際上,可以觀(guān)察到兩者的復合。此外,來(lái)自電子和空穴的激發(fā)電流很難分析。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),我們使用單一能陷阱和離散帶能來(lái)模擬下面的DLTS。
圖6 顯示了室溫下的DLTS仿真。對比圖5(c)中的速率模型,圖6 中的結果是使用太陽(yáng)能電池模擬仿真軟件Setfos的漂移擴散模塊獲得的,該軟件考慮了器件中載流子傳輸的位置依賴(lài)性。前1 μs內的電流峰值是由RC效應引起的,在這里并不重要。復合前因子和遷移率對產(chǎn)生的電流沒(méi)有影響(圖6(b))。對于"淺陷阱",觀(guān)察到來(lái)自陷阱激發(fā)的額外電流(圖6(c))。深層陷阱導致SRH復合 - 被俘獲的電荷復合,而不是重新激發(fā)。如圖6(a)所示的抽取勢壘可能導致電流尾部被誤認為是陷阱激發(fā)。當器件具有如圖6(d)所示的低并聯(lián)電阻時(shí),陷阱激發(fā)電流被隱藏通過(guò)分流漏電流。如果器件摻雜,一些平衡態(tài)電荷被抽取,從而導致產(chǎn)生額外的電流(圖6(e))。
圖6(f)顯示了不同溫度下"淺陷阱"的模擬結果。虛線(xiàn)表示使用方程(2)的指數擬合。使用提取陷阱激發(fā)時(shí)間τte,陷阱深度可以用方程(3)來(lái)計算。在分析仿真結果時(shí),0.4 eV的陷阱深度可精確檢測,因此與該模型輸入參數一致。對于被占據的陷阱數量提取了 7*1014 和 1.6*10151/cm3 之間的值。對于“淺陷阱"情況,室溫暗態(tài)下陷阱占據有效密度為2*10161/cm3,激發(fā)電流的分析擬合將陷阱密度低估了10倍。原因是在?5 V時(shí),并非所有的陷阱都是空的。因此,使用這種方法有效的陷阱密度可能會(huì )低估。
在我們的模擬中,電流分辨率沒(méi)有限制。然而,在測量中,很難在這個(gè)時(shí)間范圍內分辨6個(gè)數量級的電流,陷阱發(fā)射可能隱藏在測量噪聲中。
以上所有測試數據來(lái)自設備:Paios
以上所有模擬仿真使用軟件:Setfos
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