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太阳能电池分析技术(5):瞬态光电流 TPC

 发布时间:2022-05-07 点击量:471
本系列文章将介绍用于有机和钙钛矿太阳能电池的不同光电表征技术,同时提取和分析重要的器件参数,例如稳态性能、瞬态光电压、瞬态光电流、电荷载流子迁移率、电荷密度、陷阱密度、阻抗、理想因子等。


瞬态光电流(TPC)

在瞬态光电流(TPC)测试中,测量恒定偏置电压(也可设置为0V)下光伏器件由于光脉冲而产生的瞬态电流响应过程。电流上升和衰减揭示了电荷载流子迁移率、陷阱和掺杂的信息。TPC通常在不同的偏置电压、偏置光或光脉冲强度下进行测试。对于有机太阳能电池,瞬态光电流上升时间通常在1~100μs之间;在钙钛矿太阳能电池中,电流上升则从微秒级开始,可能需要几秒钟才能达到稳态。


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图1. 典型 瞬态光电流TPC测试曲线


分析参数:电子和空穴迁移率 陷阱俘获动力学


Christopher McNeill及其同事观察到聚合物太阳能电池中的光电流过冲,并借助漂移扩散模拟陷阱对电荷的俘获和释放来解释这个过程。如果电荷俘获足够慢,空间电荷效应会导致电流过冲。随着越来越多的电荷被俘获,它们会干扰内建电场并阻碍电荷传输。然而,快速捕获会导致电流上升变。在某些情况下,电流过冲仅在负偏置电压下发生。


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图2


电流衰减可以用与DLTS中相同的方式描述。使用图2. 可以计算出来自离散能级的陷阱发射电流(trap emission currents)。使用图3. 计算指数DOS尾部的陷阱发射(trap emission)。Street通过分析TPC瞬态光电流衰减计算了PCDTBT:PCBM和P3HT:PCBM太阳能电池带尾态密度。



通过电流衰减对时间积分,可以得到抽取电荷数量。在我们的模拟中,抽取的电荷比器件内部的有效电荷低一到两个数量级。在抽取过程中,大部分电荷会复合掉;关于电荷抽取,很少一部分依赖于复合相对时间范围。



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图3


图4. 显示了光脉冲持续时间为15 μs的TPC模拟。对于以下情况,电流上升的形状基本不会改变:"提取势垒"(a),"non-aligned contact接触"(a),"高Langevin复合"(b),"低并联电阻"(d)和"低电荷产生"(e)。较小的电荷载流子迁移率显然会导致较慢的上升和衰减,如图4(b)所示。浅陷阱填充缓慢(俘获和再发射),将导致较慢到达平衡态电流(c)。光照关闭后,陷阱发射将导致缓慢的指数型电流衰减。深陷阱的情况将导致电流过冲(c),这与McNeill的分析一致,由于陷阱填充而导致在较长时间尺度上电流减小,引发空间电荷。如果TPC测试加偏置光,则电流过冲和长衰现象消失,因为偏置光使陷阱填满;在我们的模拟中,这种效应在偏置光强度为脉冲强度的0.1%时可以看到。如图4(d)所示,高串联电阻还可能导致较慢的电流上升和衰减。"高掺杂密度"的情况显示,空间电荷效应将引起稍长的电流上升和衰减。


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图4. 表1中所有情况的瞬态光电流模拟。在T = 0 时,光照开启。在T = 15 ms 时,光照关闭。施加的电压为0 V。电流在15 ms处做了电流归一化处理。



与CELIV相比,没有简单的公式可以从TPC数据中提取电荷载流子迁移率。然而,TPC是一种强大的技术,可以研究电荷传输,识别捕获,并使用数值建模提取参数。


以上所有测试数据来自设备:Paios

以上所有模拟仿真使用软件:Setfos