太陽能電池分析技術(shù)(8)：電容-電壓(C-V)

來源：巨力光電（北京）科技有限公司 2022年05月20日 17:00

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(shí)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、參雜濃度、內(nèi)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。可根據(jù)圖1公式計(jì)算電容。為了測量CV，通常使用低于50 kHz的頻率。在大多數(shù)類似二極管的器件中，CV在正向電壓處出現(xiàn)峰值，該峰值的位置通常與探測頻率、器件厚度無關(guān)。峰值電壓通常小于內(nèi)建電壓，可以將其視為傳導(dǎo)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(nèi)建電場）有關(guān)。

圖1

電容的增加是由空間電荷效應(yīng)引起的。當(dāng)電壓增加時(shí)，電荷被注入并且耗盡層寬度減小 - 導(dǎo)致電容增加。在一定電壓導(dǎo)通開始后，電容再次降低，甚至可能變?yōu)樨?fù)值，負(fù)電容可能是由復(fù)合或自發(fā)熱引起的。

圖2. CV典型曲線

CV可用于監(jiān)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(wěn)定態(tài)。在一定電壓下，電荷載流子被注入兩層中的一層，當(dāng)一層充滿載流子時(shí)，其余層會出現(xiàn)的平板電容效應(yīng)，導(dǎo)致更高的電容穩(wěn)定態(tài)，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(yīng)就可以被觀察到。具有偶激子的材料，在雙層器件中產(chǎn)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(fā)生變化的情況下峰值電壓才會發(fā)生顯著變化。"non-aligned contact"（a）具有較低的內(nèi)建電壓，導(dǎo)致峰值電壓降低。"extraction barrier"（a）具有相同的內(nèi)建電壓，但需要克服額外的勢壘，因此CV峰值被轉(zhuǎn)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(nèi)建電壓。

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(jù)圖1 公式計(jì)算。頻率保持在10 KHZ不變。（F）電容達(dá)到最大值時(shí)的電壓

電容-電壓測量的Mott-Schottky分析

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

圖4

其中C為電容，S為器件面積，ε為介電常數(shù)，q為單位電荷，N_A為體內(nèi)摻雜密度，V_bi是內(nèi)建電壓。數(shù)量 1/C2 與電壓成線性關(guān)系，可以確定摻雜密度 N_A和內(nèi)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(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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