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太陽能電池分析技術(shù)(9)：強(qiáng)度調(diào)制光電流譜 IMPS

來源：時(shí)間：2023-06-07 09:18:01 瀏覽：3433次

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(chǎng)、陷阱密度、阻抗、理想因子等。

強(qiáng)度調(diào)制光電流譜（IMPS）

強(qiáng)度調(diào)制光電流譜（IMPS）測(cè)試中，對(duì)器件施以正弦變化的調(diào)制光強(qiáng)照射，同時(shí)保持恒定電壓并測(cè)量光電流。該實(shí)驗(yàn)可用于表征電荷載流子傳輸特性并計(jì)算傳輸時(shí)間。

圖1. IMPS典型曲線

調(diào)制光強(qiáng)L（t）描述為：

圖2

其中 L₀是偏置光強(qiáng)，Lamp 是調(diào)制振幅（通常為 L₀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(diǎn)的線性化，只要光強(qiáng)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(xiàn)正弦變化，研究其相移和振幅。復(fù)合 IMPS 量Z_IMPS根據(jù)圖3計(jì)算

圖3

其中 N 是周期數(shù)，T 是周期 1/f，i 是虛數(shù)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(diào)制電壓，在IMPS中，是調(diào)制光。

1985年，Li和Peter提出了第一個(gè)描述半導(dǎo)體-電解質(zhì)界面的IMPS理論。后來它被改進(jìn)并經(jīng)常用于表征染料敏化太陽能電池（DSSC）。對(duì) IMPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，傳輸時(shí)間常數(shù)T_tr根據(jù)圖4計(jì)算

圖4

其中f_peak是 IMPS 量的虛部達(dá)到最大值的頻率。在染料敏化太陽能電池中，電子擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)傳輸時(shí)間常數(shù)（Dn= d2/（2.35?T_tr)計(jì)算得出。

IMPS也被用作研究體異質(zhì)結(jié)太陽能電池形態(tài)相的成像技術(shù)。在鈣鈦礦太陽能電池中，在10Hz處觀察到第二個(gè)峰值，并歸因于離子運(yùn)動(dòng)。

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(gè)峰值。它可能與電荷傳輸有關(guān) - 只有在"低遷移率"（b）的情況下會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)間常數(shù)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(shì)壘（a）可能導(dǎo)致在低頻下的額外峰值/雙峰。在所有瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)中，串聯(lián)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。

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

在某些測(cè)量中，觀察到IMPS中的兩個(gè)峰值。如果電子和空穴遷移率不平衡，則可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。

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