太陽能電池分析技術(shù)(7)：阻抗譜

阻抗譜（IS）

阻抗譜是研究太陽能電池的一種常用的技術(shù)，簡稱IS或EIS（電化學阻抗譜），或者也可稱為導納光譜（導納是阻抗的倒數(shù)）。通過施加一個不同頻率的小振幅交流正弦電勢波，測量交流電勢與電流信號的比值，來測量器件的阻抗。通過使用大范圍的頻率，可以區(qū)分器件中不同的物理效應(yīng)，因為它們具有不同的瞬態(tài)動力學和界面結(jié)構(gòu)。例如，陷阱可以在低頻范圍內(nèi)產(chǎn)生更大的效應(yīng)。

圖1.不同光照下的阻抗譜IS曲線

分析參數(shù)：電荷載流子遷移率、俘獲動力學、等效電路

在阻抗譜中，根據(jù)圖2公式將小正弦電壓V（t）施加到太陽能電池上

圖2

其中 V0是偏置電壓，Vamp是電壓振幅，ω是角頻率 2?π?f。如果電壓振幅Vamp足夠小，則系統(tǒng)可以被認為是線性的，因此電流密度j（t）也是正弦曲線，可分析其電流的振幅和相位變化。阻抗譜在不同的頻率/偏置電壓/偏置光下進行測試，使用瞬態(tài)電壓和瞬態(tài)電流信號，根據(jù)圖3公式計算復數(shù)阻抗Z

圖3

其中Y是導納，N是周期數(shù)，T是周期1/f，i是虛數(shù)單位，ω是角頻率。為了分析阻抗，通常將電容C和電導G繪制成隨頻率變化的圖，或者根據(jù)偏置電壓計算

圖4

其中 ω 是角頻率，Im（） 表示虛部，Re（） 表示實部。

通常，阻抗譜數(shù)據(jù)繪制在Cole-Cole圖里。在這里，阻抗Z的實部和虛部繪制在不同頻率的復數(shù)平面上；或者繪制電容C與頻率的關(guān)系圖，如下：

圖5.電容-頻率曲線

使用阻抗譜技術(shù)的主要優(yōu)勢之一是可以分離發(fā)生在不同時間尺度上的效應(yīng)。例如：與自由載流子的傳輸相比，俘獲和釋放通常發(fā)生在更長的時間尺度（更低的頻率）上。最常見的是使用等效電路分析阻抗譜數(shù)據(jù)，不過等效電路的缺點是結(jié)果有可能不明確，所以參數(shù)不能與宏觀材料參數(shù)直接關(guān)聯(lián)。

Knapp和Ruhstaller通過小信號分析求解漂移擴散方程，以模擬阻抗譜數(shù)據(jù)。在這里，物理參數(shù)被用作模擬輸入，可用于直接解釋結(jié)果。在本研究中應(yīng)用軟件Setfos也采用了相同的方法。

測量電容是探測由于空間電荷效應(yīng)造成的陷阱位置占用的一種方法。慢陷阱可以增加低頻下的電容。此外，鈣鈦礦太陽能電池中可能存在的緩慢離子電荷會導致低頻下電容的增加；電荷載流子的復合會導致電容降低，甚至可能變?yōu)樨摂?shù)。此外，根據(jù)Knapp和Ruhstaller的分析，器件的自發(fā)熱也會導致負電容。正電容表示電壓和電流之間的相移為正（電壓引導電流），負電容表示相移變?yōu)檎娏饕龑щ妷海?/span>

在SI中，我們展示了在Cole-Cole圖中繪制的不同偏置電壓在光照下的阻抗模擬。通常認為，Cole-Cole圖中半圓的大小代表了器件的復合性能。根據(jù)模擬結(jié)果，得出結(jié)論，許多效應(yīng)會影響復平面中半圓的大小，因此建議仔細解釋這些結(jié)果。

在相同的偏置電壓下，低頻時阻抗的實部與JV曲線中電流斜率的倒數(shù)相一致。如果探測頻率足夠低，則基本上可以測量直流特性。因此，IV曲線可以用作阻抗測量的一致性檢查。根據(jù)低頻阻抗數(shù)據(jù)，可以在不使用等效電路的情況下重建JV曲線。

圖6 顯示了所有情況下的阻抗模擬。在基本情況下，主要觀察到RC效應(yīng)。然而，由于背面光照，電容略高于27 nF/cm2的幾何電容，大量電荷會導致勢壘區(qū)減小，從而產(chǎn)生更高的電容。因此，提取勢壘（a），低遷移率（b），陷阱（c）或摻雜（e）會導致光照下的電容增加。在深度和緩慢陷阱（c）的情況下，這種電容上升僅在低頻下發(fā)生。如果探測頻率太高，則無法在一個周期內(nèi)捕獲和釋放電荷。因此，這些緩慢陷阱在高頻下是不可見的（例如圖6（c）中的100 kHz）。對于淺陷阱，釋放要快得多 - 因此電容上升已經(jīng)在更快的時間尺度上發(fā)生。

在上面所有情況下，電容在頻率高于1 MHz時由于RC效應(yīng)都會降低。在串聯(lián)電阻（d）較高的情況下，由于RC時間較長，電容減小移至較低的頻率。根據(jù)圖7計算RC效應(yīng)的阻抗ZRC。

圖7

其中Rs是串聯(lián)電阻，i 是虛數(shù)單位，ω 是角頻率，Cgeom是幾何電容。使用圖7等式在黑暗條件下通過電容-頻率圖計算串聯(lián)電阻和幾何電容。

以上所有測試數(shù)據(jù)來自設(shè)備：Paios

以上所有模擬仿真使用軟件：Setfos