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太陽能電池分析技術(9):強度調制光電流譜 IMPS

 更新時間:2022-06-17 點擊量:1792

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。


  強度調制光電流譜(IMPS)

強度調制光電流譜(IMPS)測試中,對器件施以正弦變化的調制光強照射,同時保持恒定電壓并測量光電流。該實驗可用于表征電荷載流子傳輸特性并計算傳輸時間。


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圖1. IMPS典型曲線


調制光強L(t)描述為:


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圖2


其中 L是偏置光強,Lamp 是調制振幅(通常為 L的 5-10% ) , ω 是角頻率 2?π?f。與阻抗譜一樣,IMPS理論基于器件在工作點的線性化,只要光強振幅Lamp足夠小,通常這就是有效的。在這種情況下,電流也呈現正弦變化,研究其相移和振幅。復合 IMPS 量ZIMPS根據圖3計算


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圖3


其中 N 是周期數,T 是周期 1/f,i 是虛數單位,ω 是角頻率。IMPS的概念和分析類似于阻抗譜 - 在阻抗譜中,是調制電壓,在IMPS中,是調制光。


1985年,Li和Peter提出了第一個描述半導體-電解質界面的IMPS理論。后來它被改進并經常用于表征染料敏化太陽能電池(DSSC)。對 IMPS 數據進行分析,傳輸時間常數Ttr根據圖4計算


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圖4


其中fpeak是 IMPS 量的虛部達到最大值的頻率。在染料敏化太陽能電池中,電子擴散系數根據傳輸時間常數(Dn= d2/(2.35?Ttr)計算得出。


IMPS也被用作研究體異質結太陽能電池形態相的成像技術。在鈣鈦礦太陽能電池中,在10Hz處觀察到第二個峰值,并歸因于離子運動。


圖5顯示了所有情況下 IMPS 模擬的虛部。在所有情況下,在高頻處都觀察到一個峰值。它可能與電荷傳輸有關 - 只有在"低遷移率"(b)的情況下會導致傳輸時間常數明顯變長,因此峰值移向更低的頻率。俘獲和釋放(c)以及提取勢壘(a)可能導致在低頻下的額外峰值/雙峰。在所有瞬態實驗中,串聯電阻減緩了電荷傳輸(d),從而將峰值移至更低的頻率。所有其他情況均無明顯特征。


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圖5.表1中所有具有低偏置光強(3.6 MW/CM2)的案例的IMPS模擬。偏置電壓為零。(F)根據圖4 等式計算的IMPS傳輸時間常數。


在某些測量中,觀察到IMPS中的兩個峰值。如果電子和空穴遷移率不平衡,則可能會出現這種情況。


  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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