太陽(yáng)能電池分析技術(shù)(6)：CE電荷抽取

來源：巨力光電（北京）科技有限公司 2022年05月09日 16:52

本系列文章將介紹用于有機(jī)和鈣鈦礦太陽(yáng)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、陷阱密度、阻抗、理想因子等。

電荷抽取（CE）

在2000年Duffy et al介紹了電荷抽?。–E）技術(shù)，來測(cè)量染料敏化太陽(yáng)能電池中的電荷載流子密度。Shuttle et al將電荷提?。–E）技術(shù)頻繁用于有機(jī)太陽(yáng)能電池，來測(cè)量不同光強(qiáng)下的電荷載流子密度。它有時(shí)也被稱為光誘導(dǎo)電荷抽取（PICE）或時(shí)間分辨電荷提?。═RCE）。當(dāng)使用負(fù)向抽取電壓時(shí)，它被稱為偏置放大電荷提?。˙ACE）。

CE測(cè)試信號(hào)示意圖

圖1. 典型電荷提取CE測(cè)試曲線

分析參數(shù)：光生電荷的密度、傳輸和復(fù)合

在CE實(shí)驗(yàn)中，太陽(yáng)能電池在脈沖光照下，并加載開路電壓Voc，使器件沒有電流產(chǎn)生，在這種狀態(tài)下，光產(chǎn)生的所有電荷載流子都會(huì)復(fù)合。在t=0時(shí)，關(guān)閉光照，同時(shí)電壓被設(shè)置為零（或反向偏置），電荷載流子由內(nèi)建電場(chǎng)抽取并產(chǎn)生電流。計(jì)算提取電流對(duì)時(shí)間的積分得到抽取的電荷量，根據(jù)圖2可計(jì)算電荷載流子密度。

圖2

其中d為器件厚度，q為單位電荷，te為抽取時(shí)間（通常1ms足夠），j（t）為瞬態(tài)電流密度，Cgeom是幾何電容，Va是提取前施加的電壓（在大多數(shù)情況下為Voc） , Ve是提取電壓，需要減去電容容納的電荷，因?yàn)橹挥衅骷黧w內(nèi)部的電荷載流子密度才有意義。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)中，在脈沖光照關(guān)閉和電荷提取之間設(shè)定不同的延遲時(shí)間，CE也可用于研究載流子的復(fù)合特性，該技術(shù)與之前描述的OTRACE的CELIV非常相似。

圖3.顯示了各種不同光強(qiáng)下電荷抽取的仿真結(jié)果。改變遷移率或復(fù)合前因子的變化、開路電壓Voc，對(duì)電荷載流子密度與Voc的關(guān)系沒有重大影響。灰色細(xì)線是假設(shè)電子和空穴密度相等的零維模型中理論上的開路電壓。在較高的光強(qiáng)度下，該趨勢(shì)與簡(jiǎn)單模型非常吻合；在低光強(qiáng)度下，由于電子和空穴的空間分離顯著，零維模型失效。

圖3. 針對(duì)定義的所有情況下不同光強(qiáng)（以及 VOC）的電荷提取模擬。根據(jù)圖2.方程對(duì)電流隨時(shí)間積分，以獲得電荷載流子密度（減去電容上的電荷）。光強(qiáng)度變化五個(gè)數(shù)量級(jí)?；揖€是零維模型中 N = P 的理論 VOC。（F）提取最高光強(qiáng)下的電荷載流子密度?；揖€表示從模擬電荷載流子分布獲得的開路時(shí)光生電荷的有效量。

在“深陷阱”例子（c）中，具有類似的 n 與 Voc 曲線。然而，“淺陷阱”（c）會(huì)導(dǎo)致抽取電荷的密度更高。被俘獲的電荷載流子被“保護(hù)”免于復(fù)合。因此，更高的電荷密度可以在Voc處累積。在“non-aligned接觸”（a）情況下的 Voc 較低。要達(dá)到相同的 Voc，需要更多的電荷。它與理想的灰色曲線相差甚遠(yuǎn)。串聯(lián)電阻（d）對(duì)提取的電荷沒有影響，提取電流減慢，但電流積分保持不變。有趣的是，在"高摻雜密度"（e）情況下，電荷載流子密度要高得多。該器件是p型摻雜的，因此與未摻雜的情況相比，光照下的電子更少。在光照條件下，與未摻雜的情況相比，耗盡區(qū)域變得更小，可以積累更多的空穴。

在圖3（f）中，將最高光強(qiáng)下提取的電荷與開路時(shí)器件中的有效光生電荷進(jìn)行比較。提取的電荷載流子密度在所有情況下都低于開路時(shí)的有效電荷載流子密度。在模擬中，提取了15%到70%的電荷（參見圖3（f）中的灰線），施加負(fù)提取電壓 Ve減少重組損耗。實(shí)際上，在模擬中，使用負(fù)提取電壓提取了更多的電荷（?3 V時(shí)為20%至90%）。

案例研究基于相當(dāng)高的Langevin復(fù)合效率為0.1的器件。如果在模擬中Langevin復(fù)合降低至10^-3，超過90%的電荷會(huì)被提取。因此，電荷提取結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度取決于復(fù)合。

以上所有測(cè)試數(shù)據(jù)來自設(shè)備：Paios

以上所有模擬仿真使用軟件：Setfos

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