太阳能电池 – 第三部分:IMPS/IMVS测试

报告的目的

本篇报告是太阳能电池系列报告中的第三篇,讨论了相关理论和各种类型的试验。

第一部分讨论了太阳能电池的原理,结构和电化学机制基础。第二部分讨论了太阳能电池阻抗测试,以及各种等效电路模型。

这一篇主要讨论太阳能电池的IMPS和IMVS测试,介绍这一测试技术的原理和实践,并讨论所获得的数据

介绍

强度调制光电流谱和强度调制光电压谱可以获得太阳能电池有价值的信息。IMPS和IMVS测试能获得与电荷传输和电荷复合相关的时间常数。这些参数都可用来计算扩散系数和扩散距离。

基本原理

IMPS和IMVS测试与阻抗测试类似。阻抗测试时,向测试体系施加恒定的电压或电流信号,同时叠加一定振幅的交流信号,控制频率变化,测得的交流信号与施加的交流信号频率一致,但是相位角有偏移,即可测得跟频率有关的阻抗值。

IMPS和IMVS测试与EIS测试相似。不同的是,改变的不是电压或电流信号的振幅,而是照射在太阳能电池上光束的强度。图1展示了这两种技术。

Sketch of the light signal focused on a DSC during IMPS and IMVS.

图1 IMPS和IMVS测试时照射在DSC上光信号示意图

在IMPS和IMVS测试时,有一束恒定光强的光束照射在太阳能电池上。在这一恒定光强的光束之上叠加一正弦波,振幅为I0的光。测试过程中,控制正弦波频率的变化。角频率ω可表示为2πf。得到DSC相对应的光电流或者光电压。类似于EIS,只是这一情况下控制光强的变化,得到的信号跟施加信号频率一致,但是相位角有偏移。通过改变光信号的频率,可以获得与时间有关的各个过程,比如扩散系数或者反应速率。

EIS与IMPS,IMVS进一步的区别可从太阳能电池的I-V曲线看出。图2是随着光强变化的I-V曲线变化图。图中标示出了EIS,IMPS和IMVS部分。

太阳能电池产生的功率随着光强的增加而增大。因此,增大的光电流使得0V时的短路电流ISC增大。另外,开路电位EOC也向正向移动。

通常,试验都是在恒定光源下进行的。EIS测试时,分析的是I-V曲线上的某一点。与之不同的是,IMPS和IMVS测试时控制光源的光强变化,可以测得一系列响应的I-V曲线。图2中,绿色和红色分别代表IMPS和IMVS。

Figure 2. I V curves of a DSC showing the regions covered by EIS, IMPS, and IMVS

图2. 包含EIS,IMPS和IMVS部分的DSC I-V曲线

强度调制光电流谱-IMPS

IMPS测试时,太阳能电池的电位保持不变,控制在0V(短路条件),测得产生的光电流。图2中的绿线部分表示IMPS测试的范围。

电荷转移时间ttr

在短路条件下,半导体的价带和导带之间的带隙最大。因此,几乎没有电荷注入到导带中。大多数反应发生在阳极的基层,电荷从产生的地方传输至阳极的基层。

通过IMPS计算出电荷传输时间ttr。如式1所示,时间常数与之对应的特定频率fIMPS成反比。

 The corresponding electron transport time constant can be evaluated by IMPS

IMPS测试详细的数据分析将会在试验部分介绍。

强度调制光电压谱-IMVS

IMVS测试时在开路条件下进行,测得太阳能电池的光电位。电池控制在恒定电流下,电流设置为0A。图2中红线表示IMVS测试的范围。

电荷复合时间trec

太阳能电池功率在消散而不是产生前的最大电位是开路电位。这一电位下导带和价带之间的带隙最小。因此,反应不太可能在阳极基层表面发生。产生的光电子大多数注入到半导体的导带中。另外,太阳能电池在开路电位下达到稳定状态。这意味着电荷注入导带的速率与电荷复合的速率相等。

IMVS可计算出电荷复合速率或电荷寿命。如式2所示,电荷复合时间常数trec与与之对应的频率fIMVS成反比。

 IMVS can be used to evaluate the rate of electron recombination or the electron

IMVS测试详细的数据分析将会在试验部分介绍。

其他参数

通过这两个时间常数可进一步估算出电荷收集效率hcc(式3)。这是评价太阳能电池性能的决定性因素。电荷收集效率越高,电池效率越高。

 time constants can be used to estimate the charge collection efficiency

 

可通过增加电荷复合时间或减少电荷传输时间来提高电荷收集效率。

另外,也可计算得到电荷扩散系数D。低电位时,电荷传输最主要受电荷扩散通过厚度为L的电极活性层的限制。电荷复合过程可以被忽略,只有电荷传输时间常数起作用。式4可用来计算电荷扩散系数。

 Electron recombination can be nearly completely ignored at such low potentials

 

高电位时或使用效率较低的电池时,电荷复合起更重要的作用。电荷传输和复合在彼此竞争。因此,有效电荷扩散距离变小,可通过式5计算出。

 when using less efficient cells, electron recombination plays a more important r

 

为提高效率,有效电荷扩散距离LD应该比活性层厚度L大。这意味着电荷在复合之前能更有效的在电极表面被收集。

试验部分

这一部分介绍了太阳能电池IMPS和IMVS试验,包括数据分析。所有试验中照射在太阳能电池表面的光源均为红光(625 nm)。光源强度在5.1 mW与34.7 mW之间变化。交流信号振幅设置为恒定光强的10%。频率变化范围为10kHz到10mHz。

为了获得线性区,施加一很小的光强振幅。另外,每次试验之前,电池需提前被照射一段时间,并测试开路电位,直到稳定。这一步骤是为了确保太阳能电池已预热完全,达到恒定温度。

IMPS

图3显示了在不同光强下一系列IMPS测试的Nyquist图。横坐标是光电流的实部,纵坐标为虚部。浅绿到深绿表示光强逐渐增加。

 

Figure 3. IMPS Nyquist type plots at different intensities

图3 不同光强下IMPS测试的Nyquist图

所有曲线都显示出半圆弧形状。半圆的半径随着光强的增加而增大。曲线右端是高频部分。

中频时曲线显示最大值。这一点表示电荷从阳极小孔中传输至电极基层过程。这一最大值对应的频率与电荷传输时间ttr有关。

图4显示了对应的Bode图。横坐标是频率的log形式,纵坐标是光电流的虚部。Bode图展示出每一点对应的频率,便于用来计算。

Figure 4. IMPS Bode type plots at different intensities.

图4 不同光强下IMPS的Bode图

所有曲线都表现出最大值对应的频率随着光强的增加而正移。

IMVS

图5显示了在不同光强下IMVS测试的Nyuist图。浅绿到深绿表示光强逐渐增强。

Figure 5. IMVS Nyquist type plots at different intensities.

图5 不同光强下IMVS测试的Nyuist图

与IMPS测试类似,每根曲线在复平面上都显示一个半圆弧。圆弧的半径随着光强的增强而减小。根据式2,每个半圆最小值的频率值与电荷复合时间常数trec 有关。

图6显示了相对应的Bode图。所有曲线最小值相对应的频率随着光强增强向高频处偏移。这意味着相对应电荷寿命或电荷复合时间在减少。下文中的表1总结了从试验中得到的所有数据。

 Figure 6. IMVS Bode type plots at different intensities.

6. 不同光强下IMVS测试的Bode图

数据分析

表1列出了从之前IMPS和IMVS试验中获得的所有参数。图4和图6的Bode图得到的fIMPS 和 fIMVS,通过式1和式2计算出与之对应的时间常数ttr 和 trec,式3计算出的电荷收集效率hcc

试验数据表明,在给定光强下,电荷传输时间常数ttr总体上小于电荷复合时间常数trec。这一现象对于性能好的太阳能电池来说非常重要。

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. 从不同光强下IMPS和IMVS测试中获得的所有参数

另外,电荷传输时间常数和电荷复合时间常数都随之光强增强而减小。然而,电池在较大光强下的性能并没有提高。trec减小的程度大于ttr。这一结果可以通过计算出的电荷收集效率hcc看出。hcc随着光强增强而减小,从5.1 mW光强下的0.78减小至34.7 mW下的0.64。因此,电荷复合比电荷传输相比更受光强变化的影响。

总结

这篇报告包含了与EIS相关的IMPS和IMVS测试方法。控制照射在太阳能电池上光束的频率变化。测试与之对应产生的光电流或光电压。两种测试能够获得与各种反应过程和传输参数有关的重要信息。

另外,IMPS和IMVS测试都是在很小的太阳能电池上进行的。光强逐步变化,并讨论其对电池性能的影响。计算出电荷传输时间常数和电荷复合时间常数。通过这两个参数获得与电荷收集效率和扩散参数有关的重要信息。