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太阳能电池分析技术(6):CE电荷抽取

 发布时间:2022-05-09 点击量:153
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。

电荷抽取(CE)

在2000年Duffy et al介绍了电荷抽取(CE)技术,来测量染料敏化太阳能电池中的电荷载流子密度。Shuttle et al将电荷提取(CE)技术频繁用于有机太阳能电池,来测量不同光强下的电荷载流子密度。它有时也被称为光诱导电荷抽取(PICE)或时间分辨电荷提取(TRCE)。当使用负向抽取电压时,它被称为偏置放大电荷提取(BACE)


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 CE测试信号示意图

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图1. 典型电荷提取CE测试曲线

分析参数:光生电荷的密度、传输和复合
在CE实验中,太阳能电池在脉冲光照下,并加载开路电压Voc,使器件没有电流产生,在这种状态下,光产生的所有电荷载流子都会复合。在t=0时,关闭光照,同时电压被设置为零(或反向偏置),电荷载流子由内建电场抽取并产生电流。计算提取电流对时间的积分得到抽取的电荷量,根据图2可计算电荷载流子密度。

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图2

其中d为器件厚度,q为单位电荷,te为抽取时间(通常1ms足够),j(t)为瞬态电流密度,Cgeom是几何电容,Va是提取前施加的电压(在大多数情况下为Voc) , Ve是提取电压,需要减去电容容纳的电荷,因为只有器件主体内部的电荷载流子密度才有意义。

当实验中,在脉冲光照关闭和电荷提取之间设定不同的延迟时间,CE也可用于研究载流子的复合特性,该技术与之前描述的OTRACE的CELIV非常相似。

图3.显示了各种不同光强下电荷抽取的仿真结果。改变迁移率或复合前因子的变化、开路电压Voc,对电荷载流子密度与Voc的关系没有重大影响。灰色细线是假设电子和空穴密度相等的零维模型中理论上的开路电压。在较高的光强度下,该趋势与简单模型非常吻合;在低光强度下,由于电子和空穴的空间分离显著,零维模型失效。

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图3. 针对定义的所有情况下不同光强(以及 VOC)的电荷提取模拟。根据图2.方程对电流随时间积分,以获得电荷载流子密度(减去电容上的电荷)。光强度变化五个数量级。灰线是零维模型中 N = P 的理论 VOC。(F) 提取最高光强下的电荷载流子密度。灰线表示从模拟电荷载流子分布获得的开路时光生电荷的有效量。


在“深陷阱"例子(c)中,具有类似的 n 与 Voc 曲线。然而,“浅陷阱"(c)会导致抽取电荷的密度更高。被俘获的电荷载流子被“保护"免于复合。因此,更高的电荷密度可以在Voc处累积。在“non-aligned接触"(a)情况下的 Voc 较低。要达到相同的 Voc,需要更多的电荷。它与理想的灰色曲线相差甚远。串联电阻(d)对提取的电荷没有影响,提取电流减慢,但电流积分保持不变。有趣的是,在"高掺杂密度"(e)情况下,电荷载流子密度要高得多。该器件是p型掺杂的,因此与未掺杂的情况相比,光照下的电子更少。在光照条件下,与未掺杂的情况相比,耗尽区域变得更小,可以积累更多的空穴。


在图3(f)中,将最高光强下提取的电荷与开路时器件中的有效光生电荷进行比较。提取的电荷载流子密度在所有情况下都低于开路时的有效电荷载流子密度。在模拟中,提取了15%到70%的电荷(参见图3(f)中的灰线),施加负提取电压 Ve减少重组损耗。实际上,在模拟中,使用负提取电压提取了更多的电荷(−3 V时为20%至90%)。


案例研究基于相当高的Langevin复合效率为0.1的器件。如果在模拟中Langevin复合降低至10-3,超过90%的电荷会被提取。因此,电荷提取结果的准确性很大程度取决于复合。


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