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太陽能電池分析技術(5):瞬態光電流 TPC

 更新時間:2022-05-09 點擊量:5996
本系列文章將介紹用于有機和鈣鈦礦太陽能電池的不同光電表征技術,同時提取和分析重要的器件參數,例如穩態性能、瞬態光電壓、瞬態光電流、電荷載流子遷移率、電荷密度、陷阱密度、阻抗、理想因子等。


瞬態光電流(TPC)

在瞬態光電流(TPC)測試中,測量恒定偏置電壓(也可設置為0V)下光伏器件由于光脈沖而產生的瞬態電流響應過程。電流上升和衰減揭示了電荷載流子遷移率、陷阱和摻雜的信息。TPC通常在不同的偏置電壓、偏置光或光脈沖強度下進行測試。對于有機太陽能電池,瞬態光電流上升時間通常在1~100μs之間;在鈣鈦礦太陽能電池中,電流上升則從微秒級開始,可能需要幾秒鐘才能達到穩態。


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圖1. 典型 瞬態光電流TPC測試曲線


分析參數:電子和空穴遷移率 陷阱俘獲動力學


Christopher McNeill及其同事觀察到聚合物太陽能電池中的光電流過沖,并借助漂移擴散模擬陷阱對電荷的俘獲和釋放來解釋這個過程。如果電荷俘獲足夠慢,空間電荷效應會導致電流過沖。隨著越來越多的電荷被俘獲,它們會干擾內建電場并阻礙電荷傳輸。然而,快速捕獲會導致電流上升變。在某些情況下,電流過沖僅在負偏置電壓下發生。


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圖2


電流衰減可以用與DLTS中相同的方式描述。使用圖2. 可以計算出來自離散能級的陷阱發射電流(trap emission currents)。使用圖3. 計算指數DOS尾部的陷阱發射(trap emission)。Street通過分析TPC瞬態光電流衰減計算了PCDTBT:PCBM和P3HT:PCBM太陽能電池帶尾態密度。



通過電流衰減對時間積分,可以得到抽取電荷數量。在我們的模擬中,抽取的電荷比器件內部的有效電荷低一到兩個數量級。在抽取過程中,大部分電荷會復合掉;關于電荷抽取,很少一部分依賴于復合相對時間范圍。



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圖3


圖4. 顯示了光脈沖持續時間為15 μs的TPC模擬。對于以下情況,電流上升的形狀基本不會改變:"提取勢壘"(a),"non-aligned contact接觸"(a),"高Langevin復合"(b),"低并聯電阻"(d)和"低電荷產生"(e)。較小的電荷載流子遷移率顯然會導致較慢的上升和衰減,如圖4(b)所示。淺陷阱填充緩慢(俘獲和再發射),將導致較慢到達平衡態電流(c)。光照關閉后,陷阱發射將導致緩慢的指數型電流衰減。深陷阱的情況將導致電流過沖(c),這與McNeill的分析一致,由于陷阱填充而導致在較長時間尺度上電流減小,引發空間電荷。如果TPC測試加偏置光,則電流過沖和長衰現象消失,因為偏置光使陷阱填滿;在我們的模擬中,這種效應在偏置光強度為脈沖強度的0.1%時可以看到。如圖4(d)所示,高串聯電阻還可能導致較慢的電流上升和衰減。"高摻雜密度"的情況顯示,空間電荷效應將引起稍長的電流上升和衰減。


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圖4. 表1中所有情況的瞬態光電流模擬。在T = 0 時,光照開啟。在T = 15 ms 時,光照關閉。施加的電壓為0 V。電流在15 ms處做了電流歸一化處理。



與CELIV相比,沒有簡單的公式可以從TPC數據中提取電荷載流子遷移率。然而,TPC是一種強大的技術,可以研究電荷傳輸,識別捕獲,并使用數值建模提取參數。


以上所有測試數據來自設備:Paios

以上所有模擬仿真使用軟件:Setfos




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