太陽(yáng)能電池分析技術(shù)(7)：阻抗譜

阻抗譜（IS）

阻抗譜是研究太陽(yáng)能電池的一種常用的技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)IS或EIS（電化學(xué)阻抗譜），或者也可稱(chēng)為導(dǎo)納光譜（導(dǎo)納是阻抗的倒數(shù)）。通過(guò)施加一個(gè)不同頻率的小振幅交流正弦電勢(shì)波，測(cè)量交流電勢(shì)與電流信號(hào)的比值，來(lái)測(cè)量器件的阻抗。通過(guò)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?yàn)樗鼈兙哂胁煌乃矐B(tài)動(dòng)力學(xué)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(xiàn)

分析參數(shù)：電荷載流子遷移率、俘獲動(dòng)力學(xué)、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(yáng)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(rèn)為是線(xiàn)性的，因此電流密度j（t）也是正弦曲線(xiàn)，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(jìn)行測(cè)試，使用瞬態(tài)電壓和瞬態(tài)電流信號(hào)，根據(jù)圖3公式計(jì)算復(fù)數(shù)阻抗Z

圖3

其中Y是導(dǎo)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(dǎo)G繪制成隨頻率變化的圖，或者根據(jù)偏置電壓計(jì)算

圖4

其中 ω 是角頻率，Im（） 表示虛部，Re（） 表示實(shí)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(shí)部和虛部繪制在不同頻率的復(fù)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(xiàn)

使用阻抗譜技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一是可以分離發(fā)生在不同時(shí)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(zhǎng)的時(shí)間尺度（更低的頻率）上。最常見(jiàn)的是使用等效電路分析阻抗譜數(shù)據(jù)，不過(guò)等效電路的缺點(diǎn)是結(jié)果有可能不明確，所以參數(shù)不能與宏觀(guān)材料參數(shù)直接關(guān)聯(lián)。

Knapp和Ruhstaller通過(guò)小信號(hào)分析求解漂移擴(kuò)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(cè)量電容是探測(cè)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(yáng)能電池中可能存在的緩慢離子電荷會(huì)導(dǎo)致低頻下電容的增加；電荷載流子的復(fù)合會(huì)導(dǎo)致電容降低，甚至可能變?yōu)樨?fù)數(shù)。此外，根據(jù)Knapp和Ruhstaller的分析，器件的自發(fā)熱也會(huì)導(dǎo)致負(fù)電容。正電容表示電壓和電流之間的相移為正（電壓引導(dǎo)電流），負(fù)電容表示相移變?yōu)檎娏饕龑?dǎo)電壓）。

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(rèn)為，Cole-Cole圖中半圓的大小代表了器件的復(fù)合性能。根據(jù)模擬結(jié)果，得出結(jié)論，許多效應(yīng)會(huì)影響復(fù)平面中半圓的大小，因此建議仔細(xì)解釋這些結(jié)果。

在相同的偏置電壓下，低頻時(shí)阻抗的實(shí)部與JV曲線(xiàn)中電流斜率的倒數(shù)相一致。如果探測(cè)頻率足夠低，則基本上可以測(cè)量直流特性。因此，IV曲線(xiàn)可以用作阻抗測(cè)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(xiàn)。

圖6 顯示了所有情況下的阻抗模擬。在基本情況下，主要觀(guān)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(huì)導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)減小，從而產(chǎn)生更高的電容。因此，提取勢(shì)壘（a），低遷移率（b），陷阱（c）或摻雜（e）會(huì)導(dǎo)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(cè)頻率太高，則無(wú)法在一個(gè)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(jiàn)的（例如圖6（c）中的100 kHz）。對(duì)于淺陷阱，釋放要快得多 - 因此電容上升已經(jīng)在更快的時(shí)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(shí)由于RC效應(yīng)都會(huì)降低。在串聯(lián)電阻（d）較高的情況下，由于RC時(shí)間較長(zhǎng)，電容減小移至較低的頻率。根據(jù)圖7計(jì)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(guò)電容-頻率圖計(jì)算串聯(lián)電阻和幾何電容。

以上所有測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)自設(shè)備：Paios

以上所有模擬仿真使用軟件：Setfos