太陽(yáng)能電池分析技術(shù)(2)：Photo-CELIV線(xiàn)性增壓載流子抽取
更新時(shí)間：2022-03-23 點(diǎn)擊量：2533
本系列文章將介紹用于有機和鈣鈦礦太陽(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，例如穩態(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。線(xiàn)性增壓載流子抽取 (CELIV)技術(shù)目前備受科研工作者青睞，主要用于有機和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中電荷載流子遷移率測量與分析。本章將著(zhù)重介紹各種類(lèi)型的CELIV測試技術(shù)，它們都是基于相同的方法：由外部觸發(fā)在材料中產(chǎn)生位移電流并被測量，用于抽取材料本身的重要信息。
我們可以通過(guò) CELIV測量技術(shù)來(lái)抽取有機/鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電荷載流子遷移率：(線(xiàn)性增壓抽取電荷載流子將引起電流峰值jmax和對應的tmax，用于計算電荷載流子遷移率)圖1為CELIV的原理示意圖。對器件施加一個(gè)光脈沖，緊接著(zhù)向器件施加一個(gè)以A為斜率的反向線(xiàn)性增加的電壓 V (t) = A?t，也就是載流子抽取電壓。以A為斜率線(xiàn)性變化的電壓將產(chǎn)生恒定位移電流 jdisp，其計算公式如下：圖2：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的CELIV位移電流其中 S 是器件面積，Cgeom 是幾何電容，ε0 是真空介電常數，εr 是相對介電常數，d 是活性層厚度。
此時(shí)，如果器件中存在電荷載流子，它們會(huì )被抽取并使得瞬態(tài)電流達到峰值，根據電流峰值的時(shí)間tmax，能計算電荷載流子遷移率。CELIV線(xiàn)性增壓載流子抽取技術(shù)分類(lèi)：– Dark-CELIV 暗態(tài)線(xiàn)性增壓載流子抽?。涸诎祽B(tài)下（不加載脈沖激發(fā)光），對器件本質(zhì)載流子進(jìn)行抽取，并計算其載流子遷移率、相對介電常數和參雜濃度。– Injection-CELIV 注入線(xiàn)性增壓載流子抽?。?/span>在抽取載流子前，施加正向偏置電壓使得器件中產(chǎn)生注入電流，接著(zhù)在載流子抽取過(guò)程中電流反向并在到達到位移電流之前出現峰值，以此計算載流子遷移率。
– Photo-CELIV 光注入線(xiàn)性增壓載流子抽?。?/span>對器件施加一個(gè)光脈沖和預先偏置電壓Voc，使器件處于開(kāi)路狀態(tài)，確保此時(shí)器件中沒(méi)有電流；接著(zhù)用固定斜率的線(xiàn)性增壓抽取由于光脈沖產(chǎn)生的光生載流子，此時(shí)電流在到達位移電流前將會(huì )出現一個(gè)峰值jmax，結合其對應的時(shí)間tmax，可以計算器件中的載流子遷移率、載流子濃度等。– MIS-CELIV 金屬-絕緣層-半導體器件線(xiàn)性增壓載流子提?。夯旧鲜轻槍IS器件進(jìn)行Injection-CELIV測試。不同之處在于電荷通過(guò)正向預偏置注入，但無(wú)平衡電流產(chǎn)生，因此CELIV電流從零開(kāi)始，使其分析更加容易。– Delay-time-CELIV 延時(shí)線(xiàn)性增壓載流子抽?。涸谶M(jìn)行Photo-CELIV測試時(shí)，通過(guò)改變光脈沖和抽取電壓之間的延遲時(shí)間，并執行多次。在不同時(shí)間延遲過(guò)程中，伴隨著(zhù)電荷不同程度的復合，少數電荷被提取。因此，該技術(shù)可用于研究載流子復合動(dòng)力學(xué)及復合因子。然而，在時(shí)間延遲過(guò)程中若保持恒定電壓將會(huì )導致反注入。因此，OTRACE 根據延遲時(shí)間內的 TPV 衰減來(lái)調整電壓，使得電流在加載抽取電壓之前始終為零。– Reverse-CELIV 反向線(xiàn)性增壓載流子抽?。阂载撓蚱珘洪_(kāi)始加載正向線(xiàn)性抽取電壓。當注入開(kāi)始時(shí)，電流迅速增加并到達位移電流。該技術(shù)僅用于測試MIS 器件或退化嚴重的電池。在這里，我們將進(jìn)一步介紹Dark-CELIV暗態(tài)線(xiàn)性增壓載流子抽取和Photo-CELIV光照線(xiàn)性增壓載流子抽取技術(shù)：Dark-CELIV暗態(tài)線(xiàn)性增壓載流子特性Dark-CELIV暗態(tài)線(xiàn)性增壓載流子抽取用于器件本征載流子抽取，同時(shí)測量分析相對介電常數、摻雜濃度和幾何電容等。在無(wú)光照條件下，對器件施加負斜率線(xiàn)性抽取電壓，電流從初始上升開(kāi)始最終到達位移電流，由此可以計算器件的串聯(lián)電阻和幾何電容。-相對介電常數可以通過(guò)位移電流 jdisp代入重新排列方程計算圖3. 太陽(yáng)能電池CELIV中的相對介電常數-摻雜濃度可以通過(guò)對電流積分來(lái)計算。需要減去電極上的電荷 (Q= C?V)。摻雜密度可根據圖4計算其中 d 是活性層厚度，q 是單位電荷，tramp是抽取電壓結束時(shí)間，j 是電流，Cgeom是幾何電容，V 是施加的電壓，S 是器件面積。圖5顯示了暗態(tài)線(xiàn)性增壓載流子模擬仿真結果。其中顯示電流峰值的器件是具有高摻雜濃度的器件。同質(zhì)穩定摻雜引起移動(dòng)的反向電荷載流子，可通過(guò)CELIV抽取。并聯(lián)電阻將導致電流隨時(shí)間推移而增加，在這種情況下，很難評估電流的積分（參雜濃度）和介電常數。圖5. 表1中所有案例的暗態(tài)線(xiàn)性增壓載流子提取模擬。曲線(xiàn)從t = 0開(kāi)始，斜坡斜率為171 V/ms。在多數情況下，會(huì )觀(guān)察到RC效應。我們將圖3方程應用于模擬仿真結果，在除“低并聯(lián)電阻"和“高摻雜密度"外，相對介電常數的誤差均小于1%。請注意，器件的電容會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而變化，例如，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中觀(guān)察到的移動(dòng)離子，在這種情況下，相對介電常數的計算準確性會(huì )降低。對于高摻雜的情況（圖5中f），提取的電荷載流子密度為1.2 * 1016 1/cm3，比模擬仿真輸入的摻雜濃度(1*1017 1/cm3)低一個(gè)數量級，原因是由于線(xiàn)性增壓抽取時(shí)間不夠，并非所有電荷載流子都被抽取。因此，從Dark-CELIV抽取的摻雜濃度可以理解為摻雜濃度的下限，通常建議以不同斜率的線(xiàn)性增壓進(jìn)行載流子抽取實(shí)驗以獲得最高的摻雜濃度值。Sandberg等人基于Mott-Schottky理論，提出了通過(guò)分析Dark-CELIV電流衰減的形狀抽取參雜濃度。Seemann及其合作者通過(guò)Dark-CELIV測量證明了器件退化過(guò)程中非故意/偶然摻雜的演化。Photo-CELIV光照線(xiàn)性增壓載流子抽取
在光照線(xiàn)性增壓載流子抽取測試中，光脈沖照射到器件上產(chǎn)生自由電荷載流子，隨后這些載流子通過(guò)抽取電壓被從器件中抽取出來(lái)；提取出來(lái)的電荷載流子產(chǎn)生的電流就會(huì )疊加在位移電流上，導致電流過(guò)沖 Δj = jmax-jdisp，并最終回到位移電流。光源可使用發(fā)光二極管 (LED) 或激光器。其中μ是電荷載流子遷移率，d是活性層厚度，A是線(xiàn)性抽取電壓斜率，tmax是電流達到峰值的時(shí)間，jdisp是位移電流，Δj 是峰值電流減去位移電流。公式中的因子 1 + 0.36?Δj / jdisp 是對電場(chǎng)重新分布的理論修正。圖7 顯示Photo-CELIV模擬仿真結果。所有器件均顯示電流過(guò)沖，峰值時(shí)間范圍為2至6 μs。圖7（f）顯示了使用圖6計算的遷移率；在低遷移率的情況下（圖7（b）），電流抽取速度較慢，抽取的遷移率較低；陷阱會(huì )顯著(zhù)影響電荷提?。ㄈ鐖D7（c）），深陷阱會(huì )產(chǎn)生額外的復合中心(SRH)，因此提取的電荷較少；當然，淺陷阱可以減少載流子復合；因此，提取的電荷越多，明顯遷移率越低。圖7. 以上是Photo-CELIV仿真各種情況。光源在t=0時(shí)關(guān)閉，具有一定斜率的線(xiàn)性抽取電壓在t=0開(kāi)始，斜率為100 V/ms。設置加載抽取電壓?jiǎn)?dòng)之前的偏置電壓，使得t<0時(shí)電流為零。（F）條形圖顯示了使用等式（9）從峰值位置（tmax）計算的電荷載流子遷移率?；揖€(xiàn)表示用作模擬仿真輸入的電子遷移率。Photo-CELIV光照線(xiàn)性增壓載流子也可用于評估復合系數。因此，在光脈沖關(guān)閉與加載線(xiàn)性抽取電壓之間，定義不同的延遲時(shí)間進(jìn)行多次測試。然后得到的電荷載流子密度與延遲時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。復合系數是通過(guò)擬合方程(dn/dt = ?k2?n2 ? k1?n)獲得。如果在時(shí)間延遲過(guò)程中保持恒定偏壓，則會(huì )注入電荷（如果電壓過(guò)高）或抽取電荷（如果電壓過(guò)低）。為了在時(shí)間延遲期間使電池處于開(kāi)路狀態(tài)，Clarke等人使用了非?？焖俚碾婇_(kāi)關(guān)來(lái)控制。Baumann和合作者提出了一種更容易實(shí)現的替代方案，并將其命名為OTRACE；首先測量光電壓衰減，接著(zhù)在CELIV測試的時(shí)間延遲過(guò)程中施加該電壓信號；OTRACE 確保電荷載流子在時(shí)間延遲期間在器件中存留和復合，從而提高了實(shí)驗的準確性。
