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太陽能電池分析技術(shù)(5):瞬態(tài)光電流 TPC

來源:巨力光電(北京)科技有限公司   2022年05月07日 16:11  
本系列文章將介紹用于有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池的不同光電表征技術(shù),同時提取和分析重要的器件參數(shù),例如穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)光電壓、瞬態(tài)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(tài)光電流(TPC)

在瞬態(tài)光電流(TPC)測試中,測量恒定偏置電壓(也可設(shè)置為0V)下光伏器件由于光脈沖而產(chǎn)生的瞬態(tài)電流響應(yīng)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(qiáng)度下進(jìn)行測試。對于有機(jī)太陽能電池,瞬態(tài)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(dá)到穩(wěn)態(tài)。


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圖1. 典型 瞬態(tài)光電流TPC測試曲線


分析參數(shù):電子和空穴遷移率 陷阱俘獲動力學(xué)


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(kuò)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(yīng)會導(dǎo)致電流過沖。隨著越來越多的電荷被俘獲,它們會干擾內(nèi)建電場并阻礙電荷傳輸。然而,快速捕獲會導(dǎo)致電流上升變。在某些情況下,電流過沖僅在負(fù)偏置電壓下發(fā)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(fā)射電流(trap emission currents)。使用圖3. 計算指數(shù)DOS尾部的陷阱發(fā)射(trap emission)。Street通過分析TPC瞬態(tài)光電流衰減計算了PCDTBT:PCBM和P3HT:PCBM太陽能電池帶尾態(tài)密度。



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



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圖3


圖4. 顯示了光脈沖持續(xù)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(fù)合"(b),"低并聯(lián)電阻"(d)和"低電荷產(chǎn)生"(e)。較小的電荷載流子遷移率顯然會導(dǎo)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(fā)射),將導(dǎo)致較慢到達(dá)平衡態(tài)電流(c)。光照關(guān)閉后,陷阱發(fā)射將導(dǎo)致緩慢的指數(shù)型電流衰減。深陷阱的情況將導(dǎo)致電流過沖(c),這與McNeill的分析一致,由于陷阱填充而導(dǎo)致在較長時間尺度上電流減小,引發(fā)空間電荷。如果TPC測試加偏置光,則電流過沖和長衰現(xiàn)象消失,因?yàn)槠霉馐瓜葳逄顫M;在我們的模擬中,這種效應(yīng)在偏置光強(qiáng)度為脈沖強(qiáng)度的0.1%時可以看到。如圖4(d)所示,高串聯(lián)電阻還可能導(dǎo)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(yīng)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(tài)光電流模擬。在T = 0 時,光照開啟。在T = 15 ms 時,光照關(guān)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(shù)據(jù)中提取電荷載流子遷移率。然而,TPC是一種強(qiáng)大的技術(shù),可以研究電荷傳輸,識別捕獲,并使用數(shù)值建模提取參數(shù)。


以上所有測試數(shù)據(jù)來自設(shè)備:Paios

以上所有模擬仿真使用軟件:Setfos




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