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太陽能電池分析技術(7):阻抗譜

 更新時間:2022-05-11 點擊量:2330
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。


阻抗譜(IS)

阻抗譜是研究太陽能電池的一種常用的技術,簡稱IS或EIS(電化學阻抗譜),或者也可稱為導納光譜(導納是阻抗的倒數)。通過施加一個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,來測量器件的阻抗。通過使用大范圍的頻率,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動力學和界面結構。例如,陷阱可以在低頻范圍內產生更大的效應。


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圖1.不同光照下的阻抗譜IS曲線


分析參數:電荷載流子遷移率、俘獲動力學、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性的,因此電流密度j(t)也是正弦曲線,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/偏置光下進行測試,使用瞬態電壓和瞬態電流信號,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() 表示實部。


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


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圖5.電容-頻率曲線


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


Knapp和Ruhstaller通過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,鈣鈦礦太陽能電池中可能存在的緩慢離子電荷會導致低頻下電容的增加;電荷載流子的復合會導致電容降低,甚至可能變為負數。此外,根據Knapp和Ruhstaller的分析,器件的自發熱也會導致負電容。正電容表示電壓和電流之間的相移為正(電壓引導電流),負電容表示相移變為正(電流引導電壓)。


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,低頻時阻抗的實部與JV曲線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。


圖6 顯示了所有情況下的阻抗模擬。在基本情況下,主要觀察到RC效應。然而,由于背面光照,電容略高于27 nF/cm2的幾何電容,大量電荷會導致勢壘區減小,從而產生更高的電容。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生。如果探測頻率太高,則無法在一個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 - 因此電容上升已經在更快的時間尺度上發生。


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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?;疑摼€代表幾何電容。


在上面所有情況下,電容在頻率高于1 MHz時由于RC效應都會降低。在串聯電阻(d)較高的情況下,由于RC時間較長,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電容-頻率圖計算串聯電阻和幾何電容。


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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