如何分析鈣鈦礦器件缺陷與二極體理想因數?

為了製備出高效率、高穩定的太陽能電池,瞭解器件內部結構的伏安特性是最根本的分析基楚。在p-n結二極體的伏安特性中,必須考慮擴散電流、複合電流、串聯電阻效應等因素,進而影響器件性能的優劣。因此,研究人員可藉由探討理想因數η (ideality factor)數值,來判斷該器件是否接近理想的二極體元件。理想因數η介於數值1~2之間;在完美理想狀態下η=1,表示該元件是沒有缺陷的p-n結構。當然,科研專家最終目的,就是要找出最趨近理想二極體曲線的可能性,透過分析二極體的理想因數,找出器件缺陷的可能性並進而提升器件製備工藝。

那麼問題來了,該如何進行分析二極體的理想因數呢?
不少國際期刊指出,最簡單也最有效力的方式,就是透過「調變光強測量技術」。

自動調變光強功能,資料擬合輕鬆判讀器件缺陷
研究人員針對實驗特性,建立J-V曲線以及重點光電特性參數之間的關係(如Jsc、Voc、FF等),透過調變光強測量技術,輕鬆用資料擬合出淺顯易懂而精准的圖表。

讓我們看看以下研究團隊如何操作「調變光強測量技術」分析理想因數:

 大陸科學院半導體研究所 遊經碧 教授_「23.3 %高效率鈣鈦礦的應用實例」《Nature Photonics》” Surface passivation of perovskite film for efficient solar cells.”
為了驗證加了PEAI鈍化添加劑的鈣鈦礦器件,相對於未添加PEAI器件的性能,該團隊透過「調變光強測量技術」,在不同光強下(從0.07個sun調變至1個sun)測量器件特性,發現不論是否有添加PEAI的器件,皆可顯示出光強度與短路電流密度Jsc的線性關係;藉由該量測技術,可清楚地推論佐證,載流子能平穩地在器件內傳輸,且添加PEAI後,該器件的接面處也沒有明顯的電荷障壁。此外,研究團隊再利用調變光強擬合出不同光強下與開路電壓Voc的關係,從圖表可看出,有添加PEAI的器件相較於未添加的對照組,其斜率較小,再一次驗證PEAI鈍化劑對鈣鈦礦層就具有極佳的鈍化效果,並進而提升器件性能。


  北京理工大學 陳棋教授、北京大學周歡萍教授、吉林大學張立軍 教授團隊_「鈣鈦礦應變工程技術之分析技巧」《Nature Communications》"Strain engineering in perovskite solar cells and its impacts on carrier dynamics."
為了探究載流子複合過程中如何受殘餘應變的影響,研究團隊結合調變光強測量技術、電化學阻抗頻譜法以及瞬態光電壓衰減技術進行驗證。
團隊指出,在不同光強下量測出的開路電壓Voc,是探討太陽能電池複合機制的重點資料。經由調變光強下量測的Voc所擬合出的資料圖示,可依據斜率訂定的理想因數”n”,反映出相對應的電荷載流子複合過程,其關係式為Voc= Eg/qnkBT/qlnJ0/J (q是基本電荷;kB是波茲曼常數;T是溫度。)當理想因數n接近2時,呈現Shockley-Read-Hall複合;透過圖表從Voc~ln(I)的關係可看出,具有/不具影拉伸應變的器件,其理想因數分別為n=1.01;n=1.55。驗證成果表明,通過減少吸收體表面的拉伸應變,能有效地抑制陷阱輔助的SRH複合;SRH複合的減少,能歸因於無應變器件中的陷阱密度減少,也實現了器件晶體結構的均勻性。


還在用傳統手動調整光強衰減濾片調變光強嗎?
一般傳統的手動調變光強,除了難以精准定位光強度,還要手動一一校準光強,如此繁瑣的作業模式,不僅會影響研究人員採取足夠光強度條件數量的意願(獲得精准的擬合數據,至少需採集十五個光強度),還會產生另一個嚴重的問題,就是不準確的光強定位,必定會造成資料擬合結果誤差值變大。


光焱科技獨家專利「自動光強調變」技術,專為調變光強測量方法,推出缺陷與二極體理想因數分析系統組合AAA穩態太陽光模擬器+自動光強調變功能+KA5000電流電壓特性曲線量測軟體
具備Class AAA太陽光模擬器還不夠,最重要的是整合「自動光強調變」功能與I-V特性量測軟體,透過精密光圈控制0.02 sun到1 sun的精准定位,只要一次的光強校準,為研究人員輕鬆解決任意調變光強的量測門檻。

如此一來,研究團隊只要透過「調變光強測量技術」分析鈣鈦礦缺陷與理想因數,不僅可以透過光強度與各重點參數的資料關係圖,評斷製備器件的缺陷,還可進一步改善並提升器件性能!


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