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          太陽(yáng)能電池分析技術(shù)(7):阻抗譜

           更新時(shí)間:2022-05-11 點(diǎn)擊量:2983
          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。


          阻抗譜(IS)

          阻抗譜是研究太陽(yáng)能電池的一種常用的技術(shù),簡(jiǎn)稱(chēng)IS或EIS(電化學(xué)阻抗譜),或者也可稱(chēng)為導納光譜(導納是阻抗的倒數)。通過(guò)施加一個(gè)不同頻率的小振幅交流正弦電勢波,測量交流電勢與電流信號的比值,來(lái)測量器件的阻抗。通過(guò)使用大范圍的頻率,可以區分器件中不同的物理效應,因為它們具有不同的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)和界面結構。例如,陷阱可以在低頻范圍內產(chǎn)生更大的效應。


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          圖1.不同光照下的阻抗譜IS曲線(xiàn)


          分析參數:電荷載流子遷移率、俘獲動(dòng)力學(xué)、等效電路

          在阻抗譜中,根據圖2公式將小正弦電壓V(t)施加到太陽(yáng)能電池上


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          圖2


          其中 V0是偏置電壓,Vamp是電壓振幅,ω是角頻率 2?π?f。如果電壓振幅Vamp足夠小,則系統可以被認為是線(xiàn)性的,因此電流密度j(t)也是正弦曲線(xiàn),可分析其電流的振幅和相位變化。阻抗譜在不同的頻率/偏置電壓/偏置光下進(jìn)行測試,使用瞬態(tài)電壓和瞬態(tài)電流信號,根據圖3公式計算復數阻抗Z


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          圖3


          其中Y是導納,N是周期數,T是周期1/f,i是虛數單位,ω是角頻率。為了分析阻抗,通常將電容C和電導G繪制成隨頻率變化的圖,或者根據偏置電壓計算



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          圖4


          其中 ω 是角頻率,Im() 表示虛部,Re() 表示實(shí)部。


          通常,阻抗譜數據繪制在Cole-Cole圖里。在這里,阻抗Z的實(shí)部和虛部繪制在不同頻率的復數平面上;或者繪制電容C與頻率的關(guān)系圖,如下:


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          圖5.電容-頻率曲線(xiàn)


          使用阻抗譜技術(shù)的主要優(yōu)勢之一是可以分離發(fā)生在不同時(shí)間尺度上的效應。例如:與自由載流子的傳輸相比,俘獲和釋放通常發(fā)生在更長(cháng)的時(shí)間尺度(更低的頻率)上。最常見(jiàn)的是使用等效電路分析阻抗譜數據,不過(guò)等效電路的缺點(diǎn)是結果有可能不明確,所以參數不能與宏觀(guān)材料參數直接關(guān)聯(lián)。


          Knapp和Ruhstaller通過(guò)小信號分析求解漂移擴散方程,以模擬阻抗譜數據。在這里,物理參數被用作模擬輸入,可用于直接解釋結果。在本研究中應用軟件Setfos也采用了相同的方法。


          測量電容是探測由于空間電荷效應造成的陷阱位置占用的一種方法。慢陷阱可以增加低頻下的電容。此外,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中可能存在的緩慢離子電荷會(huì )導致低頻下電容的增加;電荷載流子的復合會(huì )導致電容降低,甚至可能變?yōu)樨摂?。此外,根據Knapp和Ruhstaller的分析,器件的自發(fā)熱也會(huì )導致負電容。正電容表示電壓和電流之間的相移為正(電壓引導電流),負電容表示相移變?yōu)檎娏饕龑щ妷海?/span>


          在SI中,我們展示了在Cole-Cole圖中繪制的不同偏置電壓在光照下的阻抗模擬。通常認為,Cole-Cole圖中半圓的大小代表了器件的復合性能。根據模擬結果,得出結論,許多效應會(huì )影響復平面中半圓的大小,因此建議仔細解釋這些結果。


          在相同的偏置電壓下,低頻時(shí)阻抗的實(shí)部與JV曲線(xiàn)中電流斜率的倒數相一致。如果探測頻率足夠低,則基本上可以測量直流特性。因此,IV曲線(xiàn)可以用作阻抗測量的一致性檢查。根據低頻阻抗數據,可以在不使用等效電路的情況下重建JV曲線(xiàn)。


          圖6 顯示了所有情況下的阻抗模擬。在基本情況下,主要觀(guān)察到RC效應。然而,由于背面光照,電容略高于27 nF/cm2的幾何電容,大量電荷會(huì )導致勢壘區減小,從而產(chǎn)生更高的電容。因此,提取勢壘(a),低遷移率(b),陷阱(c)或摻雜(e)會(huì )導致光照下的電容增加。在深度和緩慢陷阱(c)的情況下,這種電容上升僅在低頻下發(fā)生。如果探測頻率太高,則無(wú)法在一個(gè)周期內捕獲和釋放電荷。因此,這些緩慢陷阱在高頻下是不可見(jiàn)的(例如圖6(c)中的100 kHz)。對于淺陷阱,釋放要快得多 - 因此電容上升已經(jīng)在更快的時(shí)間尺度上發(fā)生。


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          圖6. 表 1 中所有情況的阻抗仿真。根據圖4 左邊公式計算電容C。偏置電壓為 0,偏置光打開(kāi)?;疑摼€(xiàn)代表幾何電容。


          在上面所有情況下,電容在頻率高于1 MHz時(shí)由于RC效應都會(huì )降低。在串聯(lián)電阻(d)較高的情況下,由于RC時(shí)間較長(cháng),電容減小移至較低的頻率。根據圖7計算RC效應的阻抗ZRC。


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          圖7


          其中Rs是串聯(lián)電阻,i 是虛數單位,ω 是角頻率,Cgeom是幾何電容。使用圖7等式在黑暗條件下通過(guò)電容-頻率圖計算串聯(lián)電阻和幾何電容。


          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