報(bào)告的目的本篇報(bào)告是太陽(yáng)能電池系列報(bào)告中的第三篇，討論了相關(guān)理論和各種類型的試驗(yàn)。
*部分討論了太陽(yáng)能電池的原理，結(jié)構(gòu)和電化學(xué)機(jī)制基礎(chǔ)。第二部分討論了太陽(yáng)能電池阻抗測(cè)試，以及各種等效電路模型。
這一篇主要討論太陽(yáng)能電池的imps和imvs測(cè)試，介紹這一測(cè)試技術(shù)的原理和實(shí)踐，并討論所獲得的數(shù)據(jù)
介紹強(qiáng)度調(diào)制光電流譜和強(qiáng)度調(diào)制光電壓譜可以獲得太陽(yáng)能電池有價(jià)值的信息。imps和imvs測(cè)試能獲得與電荷傳輸和電荷復(fù)合相關(guān)的時(shí)間常數(shù)。這些參數(shù)都可用來(lái)計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散距離。
基本原理
imps和imvs測(cè)試與阻抗測(cè)試類似。阻抗測(cè)試時(shí)，向測(cè)試體系施加恒定的電壓或電流信號(hào)，同時(shí)疊加一定振幅的交流信號(hào)，控制頻率變化，測(cè)得的交流信號(hào)與施加的交流信號(hào)頻率一致，但是相位角有偏移，即可測(cè)得跟頻率有關(guān)的阻抗值。
imps和imvs測(cè)試與eis測(cè)試相似。不同的是，改變的不是電壓或電流信號(hào)的振幅，而是照射在太陽(yáng)能電池上光束的強(qiáng)度。圖1展示了這兩種技術(shù)。
圖1imps和imvs測(cè)試時(shí)照射在dsc上光信號(hào)示意圖
在imps和imvs測(cè)試時(shí)，有一束恒定光強(qiáng)的光束照射在太陽(yáng)能電池上。在這一恒定光強(qiáng)的光束之上疊加一正弦波，振幅為i0的光。測(cè)試過程中，控制正弦波頻率的變化。角頻率ω可表示為2πf。得到dsc相對(duì)應(yīng)的光電流或者光電壓。類似于eis，只是這一情況下控制光強(qiáng)的變化，得到的信號(hào)跟施加信號(hào)頻率一致，但是相位角有偏移。通過改變光信號(hào)的頻率，可以獲得與時(shí)間有關(guān)的各個(gè)過程，比如擴(kuò)散系數(shù)或者反應(yīng)速率。
eis與imps，imvs進(jìn)一步的區(qū)別可從太陽(yáng)能電池的i-v曲線看出。圖2是隨著光強(qiáng)變化的i-v曲線變化圖。圖中標(biāo)示出了eis，imps和imvs部分。
太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的功率隨著光強(qiáng)的增加而增大。因此，增大的光電流使得0v時(shí)的短路電流isc增大。另外，開路電位eoc也向正向移動(dòng)。
通常，試驗(yàn)都是在恒定光源下進(jìn)行的。eis測(cè)試時(shí)，分析的是i-v曲線上的某一點(diǎn)。與之不同的是，imps和imvs測(cè)試時(shí)控制光源的光強(qiáng)變化，可以測(cè)得一系列響應(yīng)的i-v曲線。圖2中，綠色和紅色分別代表imps和imvs。
圖2.包含eis，imps和imvs部分的dsc i-v曲線
強(qiáng)度調(diào)制光電流譜-imps
imps測(cè)試時(shí)，太陽(yáng)能電池的電位保持不變，控制在0v（短路條件），測(cè)得產(chǎn)生的光電流。圖2中的綠線部分表示imps測(cè)試的范圍。
電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間ttr
在短路條件下，半導(dǎo)體的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的帶隙大。因此，幾乎沒有電荷注入到導(dǎo)帶中。大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生在陽(yáng)極的基層，電荷從產(chǎn)生的地方傳輸至陽(yáng)極的基層。
通過imps計(jì)算出電荷傳輸時(shí)間ttr。如式1所示，時(shí)間常數(shù)與之對(duì)應(yīng)的特定頻率fimps成反比。
imps測(cè)試詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析將會(huì)在試驗(yàn)部分介紹。
強(qiáng)度調(diào)制光電壓譜-imvs
imvs測(cè)試時(shí)在開路條件下進(jìn)行，測(cè)得太陽(yáng)能電池的光電位。電池控制在恒定電流下，電流設(shè)置為0a。圖2中紅線表示imvs測(cè)試的范圍。
電荷復(fù)合時(shí)間trec
太陽(yáng)能電池功率在消散而不是產(chǎn)生前的大電位是開路電位。這一電位下導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的帶隙小。因此，反應(yīng)不太可能在陽(yáng)極基層表面發(fā)生。產(chǎn)生的光電子大多數(shù)注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中。另外，太陽(yáng)能電池在開路電位下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這意味著電荷注入導(dǎo)帶的速率與電荷復(fù)合的速率相等。
imvs可計(jì)算出電荷復(fù)合速率或電荷壽命。如式2所示，電荷復(fù)合時(shí)間常數(shù)trec與與之對(duì)應(yīng)的頻率fimvs成反比。
imvs測(cè)試詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析將會(huì)在試驗(yàn)部分介紹。
其他參數(shù)
通過這兩個(gè)時(shí)間常數(shù)可進(jìn)一步估算出電荷收集效率hcc（式3）。這是評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池性能的決定性因素。電荷收集效率越高，電池效率越高。
可通過增加電荷復(fù)合時(shí)間或減少電荷傳輸時(shí)間來(lái)提高電荷收集效率。
另外，也可計(jì)算得到電荷擴(kuò)散系數(shù)d。低電位時(shí)，電荷傳輸主要受電荷擴(kuò)散通過厚度為l的電極活性層的限制。電荷復(fù)合過程可以被忽略，只有電荷傳輸時(shí)間常數(shù)起作用。式4可用來(lái)計(jì)算電荷擴(kuò)散系數(shù)。
高電位時(shí)或使用效率較低的電池時(shí)，電荷復(fù)合起更重要的作用。電荷傳輸和復(fù)合在彼此競(jìng)爭(zhēng)。因此，有效電荷擴(kuò)散距離變小，可通過式5計(jì)算出。
為提高效率，有效電荷擴(kuò)散距離ld應(yīng)該比活性層厚度l大。這意味著電荷在復(fù)合之前能更有效的在電極表面被收集。
試驗(yàn)部分
這一部分介紹了太陽(yáng)能電池imps和imvs試驗(yàn)，包括數(shù)據(jù)分析。所有試驗(yàn)中照射在太陽(yáng)能電池表面的光源均為紅光（625nm）。光源強(qiáng)度在5.1mw與34.7mw之間變化。交流信號(hào)振幅設(shè)置為恒定光強(qiáng)的10%。頻率變化范圍為10khz到10mhz。
為了獲得線性區(qū)，施加一很小的光強(qiáng)振幅。另外，每次試驗(yàn)之前，電池需提前被照射一段時(shí)間，并測(cè)試開路電位，直到穩(wěn)定。這一步驟是為了確保太陽(yáng)能電池已預(yù)熱*，達(dá)到恒定溫度。
imps
圖3顯示了在不同光強(qiáng)下一系列imps測(cè)試的nyquist圖。橫坐標(biāo)是光電流的實(shí)部，縱坐標(biāo)為虛部。淺綠到深綠表示光強(qiáng)逐漸增加。
圖3不同光強(qiáng)下imps測(cè)試的nyquist圖
所有曲線都顯示出半圓弧形狀。半圓的半徑隨著光強(qiáng)的增加而增大。曲線右端是高頻部分。
中頻時(shí)曲線顯示大值。這一點(diǎn)表示電荷從陽(yáng)極小孔中傳輸至電極基層過程。這一大值對(duì)應(yīng)的頻率與電荷傳輸時(shí)間ttr有關(guān)。
圖4顯示了對(duì)應(yīng)的bode圖。橫坐標(biāo)是頻率的log形式，縱坐標(biāo)是光電流的虛部。bode圖展示出每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，便于用來(lái)計(jì)算。
圖4不同光強(qiáng)下imps的bode圖
所有曲線都表現(xiàn)出大值對(duì)應(yīng)的頻率隨著光強(qiáng)的增加而正移。
imvs
圖5顯示了在不同光強(qiáng)下imvs測(cè)試的nyuist圖。淺綠到深綠表示光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)。
圖5不同光強(qiáng)下imvs測(cè)試的nyuist圖
與imps測(cè)試類似，每根曲線在復(fù)平面上都顯示一個(gè)半圓弧。圓弧的半徑隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)而減小。根據(jù)式2，每個(gè)半圓小值的頻率值與電荷復(fù)合時(shí)間常數(shù)trec有關(guān)。
圖6顯示了相對(duì)應(yīng)的bode圖。所有曲線小值相對(duì)應(yīng)的頻率隨著光強(qiáng)增強(qiáng)向高頻處偏移。這意味著相對(duì)應(yīng)電荷壽命或電荷復(fù)合時(shí)間在減少。下文中的表1總結(jié)了從試驗(yàn)中得到的所有數(shù)據(jù)。
圖6.不同光強(qiáng)下imvs測(cè)試的bode圖
數(shù)據(jù)分析
表1列出了從之前imps和imvs試驗(yàn)中獲得的所有參數(shù)。圖4和圖6的bode圖得到的fimps和 fimvs，通過式1和式2計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)ttr和 trec，式3計(jì)算出的電荷收集效率hcc。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在給定光強(qiáng)下，電荷傳輸時(shí)間常數(shù)ttr總體上小于電荷復(fù)合時(shí)間常數(shù)trec。這一現(xiàn)象對(duì)于性能好的太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)非常重要。
p
[mw]
fimps
[hz]
ttr
[ms]
fimvs
[hz]
trec
[ms]
hcc
5.1
44.7
3.6
10.0
15.9
0.78
10.1
70.8
2.2
21.5
7.4
0.70
14.9
89.1
1.8
34.2
4.7
0.62
19.5
125.9
1.3
39.8
4.0
0.68
24.0
141.3
1.1
46.4
3.4
0.67
28.1
149.5
1.1
54.1
2.9
0.64
31.6
158.5
1.0
59.4
2.7
0.63
34.7
177.8
0.9
63.9
2.5
0.64
表1.從不同光強(qiáng)下imps和imvs測(cè)試中獲得的所有參數(shù)
另外，電荷傳輸時(shí)間常數(shù)和電荷復(fù)合時(shí)間常數(shù)都隨之光強(qiáng)增強(qiáng)而減小。然而，電池在較大光強(qiáng)下的性能并沒有提高。trec減小的程度大于ttr。這一結(jié)果可以通過計(jì)算出的電荷收集效率hcc看出。hcc隨著光強(qiáng)增強(qiáng)而減小，從5.1 mw光強(qiáng)下的0.78減小至34.7mw下的0.64。因此，電荷復(fù)合比電荷傳輸相比更受光強(qiáng)變化的影響。
總結(jié)
這篇報(bào)告包含了與eis相關(guān)的imps和imvs測(cè)試方法?？刂普丈湓谔?yáng)能電池上光束的頻率變化。測(cè)試與之對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的光電流或光電壓。兩種測(cè)試能夠獲得與各種反應(yīng)過程和傳輸參數(shù)有關(guān)的重要信息。
另外，imps和imvs測(cè)試都是在很小的太陽(yáng)能電池上進(jìn)行的。光強(qiáng)逐步變化，并討論其對(duì)電池性能的影響。計(jì)算出電荷傳輸時(shí)間常數(shù)和電荷復(fù)合時(shí)間常數(shù)。通過這兩個(gè)參數(shù)獲得與電荷收集效率和擴(kuò)散參數(shù)有關(guān)的重要信息。