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太陽(yáng)能電池分析技術(shù)(5)：瞬態(tài)光電流 TPC
瞬態(tài)光電流（TPC）
在瞬態(tài)光電流（TPC）測(cè)試中，測(cè)量恒定偏置電壓（也可設(shè)置為0V）下光伏器件由于光脈沖而產(chǎn)生的瞬態(tài)電流響應(yīng)過(guò)程。電流上升和衰減揭示了電荷載流子遷移率、陷阱和摻雜的信息。TPC通常在不同的偏置電壓、偏置光或光脈沖強(qiáng)度下進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池，瞬態(tài)光電流上升時(shí)間通常在1~100μs之間；在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，電流上升則從微秒級(jí)開(kāi)始，可能需要幾秒鐘才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
圖1. 典型 瞬態(tài)光電流TPC測(cè)試曲線
分析參數(shù)：電子和空穴遷移率 陷阱俘獲動(dòng)力學(xué)
Christopher McNeill及其同事觀察到聚合物太陽(yáng)能電池中的光電流過(guò)沖，并借助漂移擴(kuò)散模擬陷阱對(duì)電荷的俘獲和釋放來(lái)解釋這個(gè)過(guò)程。如果電荷俘獲足夠慢，空間電荷效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電流過(guò)沖。隨著越來(lái)越多的電荷被俘獲，它們會(huì)干擾內(nèi)建電場(chǎng)并阻礙電荷傳輸。然而，快速捕獲會(huì)導(dǎo)致電流上升變慢。在某些情況下，電流過(guò)沖僅在負(fù)偏置電壓下發(fā)生。
圖2
電流衰減可以用與DLTS中相同的方式描述。使用圖2. 可以計(jì)算出來(lái)自離散能級(jí)的陷阱發(fā)射電流(trap emission currents)。使用圖3. 計(jì)算指數(shù)DOS尾部的陷阱發(fā)射(trap emission)。Street通過(guò)分析TPC瞬態(tài)光電流衰減計(jì)算了PCDTBT：PCBM和P3HT：PCBM太陽(yáng)能電池帶尾態(tài)密度。
圖3
圖4. 顯示了光脈沖持續(xù)時(shí)間為15 μs的TPC模擬。對(duì)于以下情況，電流上升的形狀基本不會(huì)改變："提取勢(shì)壘"（a），"non-aligned contact接觸"（a），"高Langevin復(fù)合"（b），"低并聯(lián)電阻"（d）和"低電荷產(chǎn)生"（e）。較小的電荷載流子遷移率顯然會(huì)導(dǎo)致較慢的上升和衰減，如圖4（b）所示。淺陷阱填充緩慢（俘獲和再發(fā)射），將導(dǎo)致較慢到達(dá)平衡態(tài)電流（c）。光照關(guān)閉后，陷阱發(fā)射將導(dǎo)致緩慢的指數(shù)型電流衰減。深陷阱的情況將導(dǎo)致電流過(guò)沖（c），這與McNeill的分析一致，由于陷阱填充而導(dǎo)致在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上電流減小，引發(fā)空間電荷。如果TPC測(cè)試加偏置光，則電流過(guò)沖和長(zhǎng)衰現(xiàn)象消失，因?yàn)槠霉馐瓜葳逄顫M；在我們的模擬中，這種效應(yīng)在偏置光強(qiáng)度為脈沖強(qiáng)度的0.1%時(shí)可以看到。如圖4（d）所示，高串聯(lián)電阻還可能導(dǎo)致較慢的電流上升和衰減。"高摻雜密度"的情況顯示，空間電荷效應(yīng)將引起稍長(zhǎng)的電流上升和衰減。
圖4. 表1中所有情況的瞬態(tài)光電流模擬。在T = 0 時(shí)，光照開(kāi)啟。在T = 15 ms 時(shí)，光照關(guān)閉。施加的電壓為0 V。電流在15 ms處做了電流歸一化處理。
與CELIV相比，沒(méi)有簡(jiǎn)單的公式可以從TPC數(shù)據(jù)中提取電荷載流子遷移率。然而，TPC是一種強(qiáng)大的技術(shù)，可以研究電荷傳輸，識(shí)別捕獲，并使用數(shù)值建模提取參數(shù)。
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