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太陽能電池分析技術(6):CE電荷抽取

 更新時間:2022-05-09 點擊量:1058
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。

電荷抽?。–E)

在2000年Duffy et al介紹了電荷抽?。–E)技術,來測量染料敏化太陽能電池中的電荷載流子密度。Shuttle et al將電荷提?。–E)技術頻繁用于有機太陽能電池,來測量不同光強下的電荷載流子密度。它有時也被稱為光誘導電荷抽?。≒ICE)或時間分辨電荷提?。═RCE)。當使用負向抽取電壓時,它被稱為偏置放大電荷提?。˙ACE)。


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 CE測試信號示意圖

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圖1. 典型電荷提取CE測試曲線

分析參數:光生電荷的密度、傳輸和復合
在CE實驗中,太陽能電池在脈沖光照下,并加載開路電壓Voc,使器件沒有電流產生,在這種狀態下,光產生的所有電荷載流子都會復合。在t=0時,關閉光照,同時電壓被設置為零(或反向偏置),電荷載流子由內建電場抽取并產生電流。計算提取電流對時間的積分得到抽取的電荷量,根據圖2可計算電荷載流子密度。

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圖2

其中d為器件厚度,q為單位電荷,te為抽取時間(通常1ms足夠),j(t)為瞬態電流密度,Cgeom是幾何電容,Va是提取前施加的電壓(在大多數情況下為Voc) , Ve是提取電壓,需要減去電容容納的電荷,因為只有器件主體內部的電荷載流子密度才有意義。

當實驗中,在脈沖光照關閉和電荷提取之間設定不同的延遲時間,CE也可用于研究載流子的復合特性,該技術與之前描述的OTRACE的CELIV非常相似。

圖3.顯示了各種不同光強下電荷抽取的仿真結果。改變遷移率或復合前因子的變化、開路電壓Voc,對電荷載流子密度與Voc的關系沒有重大影響?;疑毦€是假設電子和空穴密度相等的零維模型中理論上的開路電壓。在較高的光強度下,該趨勢與簡單模型非常吻合;在低光強度下,由于電子和空穴的空間分離顯著,零維模型失效。

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圖3. 針對定義的所有情況下不同光強(以及 VOC)的電荷提取模擬。根據圖2.方程對電流隨時間積分,以獲得電荷載流子密度(減去電容上的電荷)。光強度變化五個數量級?;揖€是零維模型中 N = P 的理論 VOC。(F) 提取最高光強下的電荷載流子密度?;揖€表示從模擬電荷載流子分布獲得的開路時光生電荷的有效量。


在“深陷阱"例子(c)中,具有類似的 n 與 Voc 曲線。然而,“淺陷阱"(c)會導致抽取電荷的密度更高。被俘獲的電荷載流子被“保護"免于復合。因此,更高的電荷密度可以在Voc處累積。在“non-aligned接觸"(a)情況下的 Voc 較低。要達到相同的 Voc,需要更多的電荷。它與理想的灰色曲線相差甚遠。串聯電阻(d)對提取的電荷沒有影響,提取電流減慢,但電流積分保持不變。有趣的是,在"高摻雜密度"(e)情況下,電荷載流子密度要高得多。該器件是p型摻雜的,因此與未摻雜的情況相比,光照下的電子更少。在光照條件下,與未摻雜的情況相比,耗盡區域變得更小,可以積累更多的空穴。


在圖3(f)中,將最高光強下提取的電荷與開路時器件中的有效光生電荷進行比較。提取的電荷載流子密度在所有情況下都低于開路時的有效電荷載流子密度。在模擬中,提取了15%到70%的電荷(參見圖3(f)中的灰線),施加負提取電壓 Ve減少重組損耗。實際上,在模擬中,使用負提取電壓提取了更多的電荷(?3 V時為20%至90%)。


案例研究基于相當高的Langevin復合效率為0.1的器件。如果在模擬中Langevin復合降低至10-3,超過90%的電荷會被提取。因此,電荷提取結果的準確性很大程度取決于復合。


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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