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太陽能電池分析技術(8):電容-電壓(C-V)

 更新時間:2022-05-20 點擊量:2762
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、參雜濃度、內建電場、陷阱密度、阻抗、理想因子等。


電容電壓(CV)
在電容電壓(CV)測量中,阻抗是在恒定頻率下變化偏置電壓的測量??筛鶕D1公式計算電容。為了測量CV,通常使用低于50 kHz的頻率。在大多數類似二極管的器件中,CV在正向電壓處出現峰值,該峰值的位置通常與探測頻率、器件厚度無關。峰值電壓通常小于內建電壓,可以將其視為傳導開始的有效值。電容峰值的高度和電壓與載流子注入(注入勢壘和內建電場)有關。


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圖1

電容的增加是由空間電荷效應引起的。當電壓增加時,電荷被注入并且耗盡層寬度減小 - 導致電容增加。在一定電壓導通開始后,電容再次降低,甚至可能變為負值,負電容可能是由復合或自發熱引起的。

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圖2. CV典型曲線


CV可用于監測電荷注入勢壘的變化,例如在degradation過程中。在雙層器件中,CV 會趨于平緩穩定態。在一定電壓下,電荷載流子被注入兩層中的一層,當一層充滿載流子時,其余層會出現的平板電容效應,導致更高的電容穩定態,直到電荷也被注入第二層;只要在不同電壓下注入兩層,這種效應就可以被觀察到。具有偶激子的材料,在雙層器件中產生不同的電子和空穴注入電壓。使用CV,可以確定這些材料的宏觀polar sheet charge。

圖3 顯示了所有情況的CV模擬。只有在電荷注入發生變化的情況下峰值電壓才會發生顯著變化。"non-aligned contact"(a)具有較低的內建電壓,導致峰值電壓降低。"extraction barrier"(a)具有相同的內建電壓,但需要克服額外的勢壘,因此CV峰值被轉移到更高的電壓。在所有其他情況下,僅觀察到CV峰值電壓的輕微變化。因此,CV似乎適合研究電荷注入和內建電壓。

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圖3. 表 1 中所有情況下的電容-電壓模擬,無偏置光。電容C根據圖1 公式計算。頻率保持在10 KHZ不變。(F) 電容達到最大值時的電壓

電容-電壓測量的Mott-Schottky分析

Mott-Schottky分析是一種應用于CV測量的常用方法,用于提取摻雜濃度和內建電壓。


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圖4


其中C為電容,S為器件面積,ε為介電常數,q為單位電荷,NA體內摻雜密度,Vbi是內建電壓。數量 1/C2 與電壓成線性關系,可以確定摻雜密度 NA和內建電壓。Mott-Schottky分析多用于較厚且高度摻雜的器件。


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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