瞬态光电压光电流解决方案-钙钛矿太阳能电池测试

概述

光电器件的光生电荷产生与抽取是一个超快过程，因此光电器件的时间分辨表征能够直接获取器件中光生电荷的时间响应特性，为分析光生电荷微观过程、光电转化效率的提高提供实验指导。本文介绍了卓立汉光基于稳态光电测试开发的瞬态光电测试系统，为钙钛矿太阳能电池的测试提供多方位测量方法，满足不同光电器件的瞬态测试需求。

引言

光电器件的表征技术包括材料的表征，器件性能的表征以及基于载流子激发，复合，传输的微观过程和机制表征。其中微观表征可以深入分析器件的性能和响应效率的影响因素，为器件的性能提升提供实验指导，因此光电器件的时间分辨表征是一种有力的测量手段。目前基于器件水平的微观时间尺度的测试主要包括频域（包括频率调制光电压信号）和时域测量（基于脉冲光的瞬态光谱、瞬态光电压测试）等。基于纳秒脉冲激光的时域测量，实现器件水平的纳秒时间分辨的瞬态光电响应动力学，能够获取器件中载流子复合和传输性质。其测试方法明了，数据分析直接，是一种广泛应用的瞬态测试方法。

仪器介绍

本项目基于长期积累的光电器件稳态测量技术，引入瞬态测量模块，针对不同器件的测量要求提供多种样品夹具和样品台，通过优化光路和数据批量处理，实现了一体化的稳态瞬态光电测试，满足不同类型光电器件的瞬态光电测试需求。硬件布局上，该系统分为样品台模块，光源供电模块，信号放大模块和数据采集模块。样品台模块针对不同的样品由三维调节样品台以及电极夹具和探针台组成；光源模块包括一束高功率LED白光光源作为瞬态测量的偏置光源，另一束纳秒脉冲光源作为纳秒瞬态响应的脉冲激发光源；对于微弱的信号利用宽带前置放大器实现信号的增益，数据采集模块利用宽带示波器采集瞬态信号。该测量系统布局合理，能够同时满足不同光电器件的测试需求。

图1 TPV/TPC瞬态测试原型样机

图2 TPV/TPC瞬态测试样机的硬件布局

(1)瞬态光电压(Transient Photovoltage, TPV)测试

器件处理开路状态，一定的辐照强度的白光LED光源作为偏置光，另一束脉冲激光器激发产生一个扰动光电压，利用示波器采集瞬态光电压衰减曲线。器件中的瞬态光电压衰减可以用以下公式描述

表示脉冲光产生的载流子浓度变化，d代表器件的厚度，C代表器件的几何电容，表示瞬态光电压衰减的寿命，可以看到瞬态光电压衰减表示器件开路状态下，一定偏置光强度下的载流子浓度的衰减，代表器件中载流子的复合过程。通过改变偏置光的强度，获取不同载流子浓度下的瞬态光电压衰减曲线，获取不同载流子浓度下的载流子复合情况。

（2）瞬态光电流(Transient Photocurrent, TPC)测试

与瞬态光电压衰减测量方法相似，器件与小阻值的采样电阻并联，示波器采集采样电阻两端的电压信号，通过欧姆定律转化为光伏器件的瞬态电流信号，得到瞬态光电流衰减曲线。瞬态光电流测试能够测试器件在一定强度的偏置光下，脉冲光扰动造成的瞬态光电流响应以及衰减过程，包括光电流上升和下降过程，下降沿揭示器件中光生电荷的抽取过程。通过对光电流衰减曲线积分得到器件中电荷抽取量。电荷复合速率越大，电荷抽取量越小，越不利于光电转化效率的提高。

电荷抽取效率与电荷抽取时间以及载流子复合寿命紧密相关。通过改变偏置光的强度，得到不同载流子浓度下的瞬态光电压和瞬态光电流衰减，分析载流子复合和电荷抽取性质，能够为太阳能电池材料和结构的优化设计提供实验指导。

技术优势：

（1）自动化测试，包括光强程控，自动扣背景以及数据采集程控

（2）高性能数采，包括高稳定性纳秒激光器实现纳秒时间分辨，宽带前置放大器

（3）高稳定的光路和杂散光屏蔽，开放的光路，实现不同器件的精确测量

（4）批量数据处理分析软件，批量获取多组测量拟合结果

实验案例

钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池的代表，不但拥有较高的理论转化效率且成本相对较低，是目前研究的热点。以下针对3种不同参数钙钛矿太阳能电池进行稳态和瞬态光电测试，比较它们的瞬态光电压流(TPV)瞬态光电流(TPC)衰减动力学，以及电荷复合和电荷抽取情况。

首先，使用数字源表（Keithley，model 2450）测试电池的I-V 特性，如图1 所示。其中AM1.5（100 mW/cm2）的光源由太阳光模拟器（Zolix SS150A）提供，从表1 列出的I-V测试结果。填充因子 ，S1略高于S2，都远小于S3；光电转化效率， 比较光电转化效率，S1和S2相当，约20%，都低于S3的22%。

图 3钙钛矿电池I-V曲线结果

表1 I-V测试结果

为了验证钙钛矿电池中的电荷复合和抽取情况，对3种规格的钙钛矿电池进行了TPV/TPC测试。图4~6分别列出了三种钙钛矿电池S1~S3的TPV/TPC测试结果。拟合结果分别在表2~4中。图4a是样品S1不同偏置光电压（340mV, 1070mV, 1200mV）下的TPV衰减，从表2a看到载流子复合随着偏置光电压的增大而变快，从2.1ms到572ns, 说明载流子浓度增加导致了载流子复合加剧; 图4b是不同偏置光电压下，归一化的TPC衰减曲线，从表2b的拟合结果看到，随着偏置光电压增加，TPC寿命从273ns增加到455ns, 说明载流子浓度增加引起电荷抽取速率的减慢。样品S2与S3也具有相似的规律。图5a是样品S2不同偏置光电压（90mV, 1005mV, 1190mV）下的TPV衰减, 从表3a看到载流子复合随着偏置光电压的增大而变快，从0.9ms到522ns；从表3b的拟合结果看到，随着偏置光电压增加，TPC寿命逐渐增加，从296ns增加到338ns。图6a是样品S3不同偏置光电压（360mV, 1010mV, 1210mV）下的TPV衰减，从表4a看到载流子复合时间从2.6ms到1120ns, 同样随着偏置光电压的增大而变快；从表4b的拟合结果看到，TPC寿命逐渐增加，从227ns增加到319ns，同样随着偏置光电压增加而增加。S1~S3比较发现，在相似偏置光电压下，样品S3 TPV相关的载流子寿命明显高于样品S1与S2，TPC相关的电荷抽取时间也远远小于样品S1与S2。载流子复合越慢，电荷抽取时间越快，越利于光电转化效率的提高，这些结果与稳态I-V测试的结果中的太阳光谱下的光电转化效率结果具有一致性。

图4 钙钛矿电池样品S1的TPV(a)和归一化的TPC(b)动力学曲线

表2 钙钛矿电池样品S1的TPV(a)和TPC(b)拟合结果

图5 钙钛矿电池样品S2的TPV(a)和归一化的TPC(b)动力学曲线

表3 钙钛矿电池样品S2的TPV(a)和TPC(b)拟合结果

图6 钙钛矿电池样品S3的TPV(a)和归一化的TPC(b)动力学曲线

表4 钙钛矿电池样品S3的TPV(a)和TPC(b)拟合结果

4. 结论

基于纳秒 脉冲光源实现光电器件的瞬态光电测试，能够实现光电器件中载流子复合和电荷抽取测量，获取载流子扩散、复合以及缺陷捕获等动力学过程，为表征和分析器件性能提供有力工具。另外针对不同的样品测试要求，该测试系统能够分别实现显微测试和二维扫描测试。结合本公司长期积累的稳态光电器件测试经验，包括I-V测试，QE测试，光谱响应度测试，旨在实现太阳能电池一站式测试方案。

参考文献

[1]Lisa K ,Zhifa L ,Thomas K , et al. Quantifying Charge Extraction and Recombination Using the Rise and Decay of the Transient Photovoltage of Perovskite Solar Cells.[J]. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.),2023.

[2]Lin ,M. M W ,Bozyigit , et al. Transient Photovoltage Measurements in Nanocrystal-Based Solar Cells[J]. The journal of physical chemistry, C. Nanomaterials and interfaces,2016,120(23).

[3]Jesús J ,Emilio P . Interfacial recombination kinetics in aged perovskite solar cells measured using transient photovoltage techniques.[J]. Nanoscale,2019,11(42).

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