在2000年Duffy et al介紹了電荷抽?。–E)技術(shù),來測量染料敏化太陽能電池中的電荷載流子密度。Shuttle et al將電荷提取(CE)技術(shù)頻繁用于有機(jī)太陽能電池,來測量不同光強(qiáng)下的電荷載流子密度。它有時也被稱為光誘導(dǎo)電荷抽?。≒ICE)或時間分辨電荷提?。═RCE)。當(dāng)使用負(fù)向抽取電壓時,它被稱為偏置放大電荷提取(BACE)。
CE測試信號示意圖 圖1. 典型電荷提取CE測試曲線 分析參數(shù):光生電荷的密度、傳輸和復(fù)合在CE實(shí)驗(yàn)中,太陽能電池在脈沖光照下,并加載開路電壓Voc,使器件沒有電流產(chǎn)生,在這種狀態(tài)下,光產(chǎn)生的所有電荷載流子都會復(fù)合。在t=0時,關(guān)閉光照,同時電壓被設(shè)置為零(或反向偏置),電荷載流子由內(nèi)建電場抽取并產(chǎn)生電流。計(jì)算提取電流對時間的積分得到抽取的電荷量,根據(jù)圖2可計(jì)算電荷載流子密度。 圖2 其中d為器件厚度,q為單位電荷,te為抽取時間(通常1ms足夠),j(t)為瞬態(tài)電流密度,Cgeom是幾何電容,Va是提取前施加的電壓(在大多數(shù)情況下為Voc) , Ve是提取電壓,需要減去電容容納的電荷,因?yàn)橹挥衅骷黧w內(nèi)部的電荷載流子密度才有意義。 當(dāng)實(shí)驗(yàn)中,在脈沖光照關(guān)閉和電荷提取之間設(shè)定不同的延遲時間,CE也可用于研究載流子的復(fù)合特性,該技術(shù)與之前描述的OTRACE的CELIV非常相似。 圖3.顯示了各種不同光強(qiáng)下電荷抽取的仿真結(jié)果。改變遷移率或復(fù)合前因子的變化、開路電壓Voc,對電荷載流子密度與Voc的關(guān)系沒有重大影響?;疑?xì)線是假設(shè)電子和空穴密度相等的零維模型中理論上的開路電壓。在較高的光強(qiáng)度下,該趨勢與簡單模型非常吻合;在低光強(qiáng)度下,由于電子和空穴的空間分離顯著,零維模型失效。 圖3. 針對定義的所有情況下不同光強(qiáng)(以及 VOC)的電荷提取模擬。根據(jù)圖2.方程對電流隨時間積分,以獲得電荷載流子密度(減去電容上的電荷)。光強(qiáng)度變化五個數(shù)量級。灰線是零維模型中 N = P 的理論 VOC。(F) 提取最高光強(qiáng)下的電荷載流子密度。灰線表示從模擬電荷載流子分布獲得的開路時光生電荷的有效量。
在“深陷阱"例子(c)中,具有類似的 n 與 Voc 曲線。然而,“淺陷阱"(c)會導(dǎo)致抽取電荷的密度更高。被俘獲的電荷載流子被“保護(hù)"免于復(fù)合。因此,更高的電荷密度可以在Voc處累積。在“non-aligned接觸"(a)情況下的 Voc 較低。要達(dá)到相同的 Voc,需要更多的電荷。它與理想的灰色曲線相差甚遠(yuǎn)。串聯(lián)電阻(d)對提取的電荷沒有影響,提取電流減慢,但電流積分保持不變。有趣的是,在"高摻雜密度"(e)情況下,電荷載流子密度要高得多。該器件是p型摻雜的,因此與未摻雜的情況相比,光照下的電子更少。在光照條件下,與未摻雜的情況相比,耗盡區(qū)域變得更小,可以積累更多的空穴。