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太陽能電池分析技術(5)：瞬態光電流 TPC
瞬態光電流（TPC）
在瞬態光電流（TPC）測試中，測量恒定偏置電壓（也可設置為0V）下光伏器件由于光脈沖而產生的瞬態電流響應過程。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、偏置光或光脈沖強度下進行測試。對于有機太陽能電池，瞬態光電流上升時間通常在1~100μs之間；在鈣鈦礦太陽能電池中，電流上升則從微秒級開始，可能需要幾秒鐘才能達到穩態。
圖1. 典型 瞬態光電流TPC測試曲線
分析參數：電子和空穴遷移率 陷阱俘獲動力學
Christopher McNeill及其同事觀察到聚合物太陽能電池中的光電流過沖，并借助漂移擴散模擬陷阱對電荷的俘獲和釋放來解釋這個過程。如果電荷俘獲足夠慢，空間電荷效應會導致電流過沖。隨著越來越多的電荷被俘獲，它們會干擾內建電場并阻礙電荷傳輸。然而，快速捕獲會導致電流上升變慢。在某些情況下，電流過沖僅在負偏置電壓下發生。
圖2
電流衰減可以用與DLTS中相同的方式描述。使用圖2. 可以計算出來自離散能級的陷阱發射電流(trap emission currents)。使用圖3. 計算指數DOS尾部的陷阱發射(trap emission)。Street通過分析TPC瞬態光電流衰減計算了PCDTBT：PCBM和P3HT：PCBM太陽能電池帶尾態密度。
圖3
圖4. 顯示了光脈沖持續時間為15 μs的TPC模擬。對于以下情況，電流上升的形狀基本不會改變："提取勢壘"（a），"non-aligned contact接觸"（a），"高Langevin復合"（b），"低并聯電阻"（d）和"低電荷產生"（e）。較小的電荷載流子遷移率顯然會導致較慢的上升和衰減，如圖4（b）所示。淺陷阱填充緩慢（俘獲和再發射），將導致較慢到達平衡態電流（c）。光照關閉后，陷阱發射將導致緩慢的指數型電流衰減。深陷阱的情況將導致電流過沖（c），這與McNeill的分析一致，由于陷阱填充而導致在較長時間尺度上電流減小，引發空間電荷。如果TPC測試加偏置光，則電流過沖和長衰現象消失，因為偏置光使陷阱填滿；在我們的模擬中，這種效應在偏置光強度為脈沖強度的0.1%時可以看到。如圖4（d）所示，高串聯電阻還可能導致較慢的電流上升和衰減。"高摻雜密度"的情況顯示，空間電荷效應將引起稍長的電流上升和衰減。
圖4. 表1中所有情況的瞬態光電流模擬。在T = 0 時，光照開啟。在T = 15 ms 時，光照關閉。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，沒有簡單的公式可以從TPC數據中提取電荷載流子遷移率。然而，TPC是一種強大的技術，可以研究電荷傳輸，識別捕獲，并使用數值建模提取參數。
以上所有測試數據來自設備：Paios
以上所有模擬仿真使用軟件：Setfos