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太阳能电池分析技术(9):强度调制光电流谱 IMPS

 发布时间:2022-06-17 点击量:639

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。


  强度调制光电流谱(IMPS)

强度调制光电流谱(IMPS)测试中,对器件施以正弦变化的调制光强照射,同时保持恒定电压并测量光电流。该实验可用于表征电荷载流子传输特性并计算传输时间。


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图1. IMPS典型曲线


调制光强L(t)描述为:


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图2


其中 L是偏置光强,Lamp 是调制振幅(通常为 L的 5-10% ) , ω 是角频率 2⋅π⋅f。与阻抗谱一样,IMPS理论基于器件在工作点的线性化,只要光强振幅Lamp足够小,通常这就是有效的。在这种情况下,电流也呈现正弦变化,研究其相移和振幅。复合 IMPS 量ZIMPS根据图3计算


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图3


其中 N 是周期数,T 是周期 1/f,i 是虚数单位,ω 是角频率。IMPS的概念和分析类似于阻抗谱 - 在阻抗谱中,是调制电压,在IMPS中,是调制光。


1985年,Li和Peter提出了第一个描述半导体-电解质界面的IMPS理论。后来它被改进并经常用于表征染料敏化太阳能电池(DSSC)。对 IMPS 数据进行分析,传输时间常数Ttr根据图4计算


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图4


其中fpeak是 IMPS 量的虚部达到最大值的频率。在染料敏化太阳能电池中,电子扩散系数根据传输时间常数(Dn= d²/(2.35⋅Ttr)计算得出。


IMPS也被用作研究体异质结太阳能电池形态相的成像技术。在钙钛矿太阳能电池中,在10Hz处观察到第二个峰值,并归因于离子运动


图5显示了所有情况下 IMPS 模拟的虚部。在所有情况下,在高频处都观察到一个峰值。它可能与电荷传输有关 - 只有在"低迁移率"(b)的情况下会导致传输时间常数明显变长,因此峰值移向更低的频率。俘获和释放(c)以及提取势垒(a)可能导致在低频下的额外峰值/双峰。在所有瞬态实验中,串联电阻减缓了电荷传输(d),从而将峰值移至更低的频率。所有其他情况均无明显特征。


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图5.表1中所有具有低偏置光强(3.6 MW/CM²)的案例的IMPS模拟。偏置电压为零。(F)根据图4 等式计算的IMPS传输时间常数。


在某些测量中,观察到IMPS中的两个峰值。如果电子和空穴迁移率不平衡,则可能会出现这种情况。


  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