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太阳能电池分析技术(8):电容-电压(C-V)

 发布时间:2022-05-20 点击量:342
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、参杂浓度、内建电场、陷阱密度、阻抗、理想因子等。


电容电压(CV)
在电容电压(CV)测量中,阻抗是在恒定频率下变化偏置电压的测量。可根据图1公式计算电容。为了测量CV,通常使用低于50 kHz的频率。在大多数类似二极管的器件中,CV在正向电压处出现峰值,该峰值的位置通常与探测频率、器件厚度无关。峰值电压通常小于内建电压,可以将其视为传导开始的有效值。电容峰值的高度和电压与载流子注入(注入势垒和内建电场)有关。


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图1

电容的增加是由空间电荷效应引起的。当电压增加时,电荷被注入并且耗尽层宽度减小 - 导致电容增加。在一定电压导通开始后,电容再次降低,甚至可能变为负值,负电容可能是由复合或自发热引起的。

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图2. CV典型曲线


CV可用于监测电荷注入势垒的变化,例如在degradation过程中。在双层器件中,CV 会趋于平缓稳定态。在一定电压下,电荷载流子被注入两层中的一层,当一层充满载流子时,其余层会出现的平板电容效应,导致更高的电容稳定态,直到电荷也被注入第二层;只要在不同电压下注入两层,这种效应就可以被观察到。具有偶激子的材料,在双层器件中产生不同的电子和空穴注入电压。使用CV,可以确定这些材料的宏观polar sheet charge。

图3 显示了所有情况的CV模拟。只有在电荷注入发生变化的情况下峰值电压才会发生显著变化。"non-aligned contact"(a)具有较低的内建电压,导致峰值电压降低。"extraction barrier"(a)具有相同的内建电压,但需要克服额外的势垒,因此CV峰值被转移到更高的电压。在所有其他情况下,仅观察到CV峰值电压的轻微变化。因此,CV似乎适合研究电荷注入和内建电压。

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图3. 表 1 中所有情况下的电容-电压模拟,无偏置光。电容C根据图1 公式计算。频率保持在10 KHZ不变。(F) 电容达到最大值时的电压

电容-电压测量的Mott-Schottky分析

Mott-Schottky分析是一种应用于CV测量的常用方法,用于提取掺杂浓度和内建电压。


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图4


其中C为电容,S为器件面积,ε为介电常数,q为单位电荷,NA体内掺杂密度,Vbi是内建电压。数量 1/C² 与电压成线性关系,可以确定掺杂密度 NA和内建电压。Mott-Schottky分析多用于较厚且高度掺杂的器件。


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