本系列文章將介紹用于有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池的不同光電表征技術(shù)，同時提取和分析重要的器件參數(shù),，例如穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)光電壓,、瞬態(tài)光電流,、電荷載流子遷移率,、電荷密度、陷阱密度,、阻抗,、理想因子等。線性增壓載流子抽取 (CELIV)技術(shù)目前備受科研工作者青睞,，主要用于有機(jī)和鈣鈦礦太陽能電池中電荷載流子遷移率測量與分析,。本章將著重介紹各種類型的CELIV測試技術(shù)，它們都是基于相同的方法：由外部觸發(fā)在材料中產(chǎn)生位移電流并被測量,，用于抽取材料本身的重要信息,。
我們可以通過 CELIV測量技術(shù)來抽取有機(jī)/鈣鈦礦太陽能電池的電荷載流子遷移率：(線性增壓抽取電荷載流子將引起電流峰值jmax和對應(yīng)的tmax，用于計算電荷載流子遷移率)圖1為CELIV的原理示意圖,。對器件施加一個光脈沖,，緊接著向器件施加一個以A為斜率的反向線性增加的電壓 V (t) = A?t，也就是載流子抽取電壓,。以A為斜率線性變化的電壓將產(chǎn)生恒定位移電流 jdisp,，其計算公式如下：其中 S 是器件面積，Cgeom 是幾何電容,，ε0 是真空介電常數(shù),，εr 是相對介電常數(shù)，d 是活性層厚度,。
此時,，如果器件中存在電荷載流子,，它們會被抽取并使得瞬態(tài)電流達(dá)到峰值，根據(jù)電流峰值的時間tmax,，能計算電荷載流子遷移率,。– Dark-CELIV 暗態(tài)線性增壓載流子抽取：在暗態(tài)下（不加載脈沖激發(fā)光）,，對器件本質(zhì)載流子進(jìn)行抽取,，并計算其載流子遷移率、相對介電常數(shù)和參雜濃度,。– Injection-CELIV 注入線性增壓載流子抽?。?/span>在抽取載流子前，施加正向偏置電壓使得器件中產(chǎn)生注入電流,，接著在載流子抽取過程中電流反向并在到達(dá)到位移電流之前出現(xiàn)峰值,，以此計算載流子遷移率。
– Photo-CELIV 光注入線性增壓載流子抽?。?/span>對器件施加一個光脈沖和預(yù)先偏置電壓Voc,，使器件處于開路狀態(tài)，確保此時器件中沒有電流,；接著用固定斜率的線性增壓抽取由于光脈沖產(chǎn)生的光生載流子,，此時電流在到達(dá)位移電流前將會出現(xiàn)一個峰值jmax，結(jié)合其對應(yīng)的時間tmax,，可以計算器件中的載流子遷移率,、載流子濃度等。– MIS-CELIV 金屬-絕緣層-半導(dǎo)體器件線性增壓載流子提?。夯旧鲜轻槍IS器件進(jìn)行Injection-CELIV測試,。不同之處在于電荷通過正向預(yù)偏置注入，但無平衡電流產(chǎn)生,，因此CELIV電流從零開始，使其分析更加容易,。– Delay-time-CELIV 延時線性增壓載流子抽?。涸谶M(jìn)行Photo-CELIV測試時，通過改變光脈沖和抽取電壓之間的延遲時間,，并執(zhí)行多次,。在不同時間延遲過程中，伴隨著電荷不同程度的復(fù)合,，少數(shù)電荷被提取,。因此，該技術(shù)可用于研究載流子復(fù)合動力學(xué)及復(fù)合因子,。然而,，在時間延遲過程中若保持恒定電壓將會導(dǎo)致反注入,。因此，OTRACE 根據(jù)延遲時間內(nèi)的 TPV 衰減來調(diào)整電壓,，使得電流在加載抽取電壓之前始終為零,。– Reverse-CELIV 反向線性增壓載流子抽取：以負(fù)向偏壓開始加載正向線性抽取電壓,。當(dāng)注入開始時,，電流迅速增加并到達(dá)位移電流。該技術(shù)僅用于測試MIS 器件或退化嚴(yán)重的電池,。在這里,，我們將進(jìn)一步介紹Dark-CELIV暗態(tài)線性增壓載流子抽取和Photo-CELIV光照線性增壓載流子抽取技術(shù)：Dark-CELIV暗態(tài)線性增壓載流子特性Dark-CELIV暗態(tài)線性增壓載流子抽取用于器件本征載流子抽取，同時測量分析相對介電常數(shù),、摻雜濃度和幾何電容等,。在無光照條件下，對器件施加負(fù)斜率線性抽取電壓,，電流從初始上升開始最終到達(dá)位移電流,，由此可以計算器件的串聯(lián)電阻和幾何電容。-相對介電常數(shù)可以通過位移電流 jdisp代入重新排列方程計算圖3. 太陽能電池CELIV中的相對介電常數(shù)-摻雜濃度可以通過對電流積分來計算,。需要減去電極上的電荷 (Q= C?V),。摻雜密度可根據(jù)圖4計算其中 d 是活性層厚度，q 是單位電荷,，tramp是抽取電壓結(jié)束時間,，j 是電流，Cgeom是幾何電容,，V 是施加的電壓,，S 是器件面積。圖5顯示了暗態(tài)線性增壓載流子模擬仿真結(jié)果,。其中顯示電流峰值的器件是具有高摻雜濃度的器件,。同質(zhì)穩(wěn)定摻雜引起移動的反向電荷載流子，可通過CELIV抽取,。并聯(lián)電阻將導(dǎo)致電流隨時間推移而增加,，在這種情況下，很難評估電流的積分（參雜濃度）和介電常數(shù),。圖5. 表1中所有案例的暗態(tài)線性增壓載流子提取模擬,。曲線從t = 0開始，斜坡斜率為171 V/ms,。在多數(shù)情況下,，會觀察到RC效應(yīng)。我們將圖3方程應(yīng)用于模擬仿真結(jié)果,，在除“低并聯(lián)電阻"和“高摻雜密度"外,，相對介電常數(shù)的誤差均小于1%,。請注意，器件的電容會隨著時間的推移而變化,，例如,，在鈣鈦礦太陽能電池中觀察到的移動離子，在這種情況下,，相對介電常數(shù)的計算準(zhǔn)確性會降低,。對于高摻雜的情況（圖5中f），提取的電荷載流子密度為1.2 * 1016 1/cm3,，比模擬仿真輸入的摻雜濃度(1*1017 1/cm3)低一個數(shù)量級,，原因是由于線性增壓抽取時間不夠，并非所有電荷載流子都被抽取,。因此,，從Dark-CELIV抽取的摻雜濃度可以理解為摻雜濃度的下限，通常建議以不同斜率的線性增壓進(jìn)行載流子抽取實驗以獲得最高的摻雜濃度值,。Sandberg等人基于Mott-Schottky理論,，提出了通過分析Dark-CELIV電流衰減的形狀抽取參雜濃度。Seemann及其合作者通過Dark-CELIV測量證明了器件退化過程中非故意/偶然摻雜的演化,。Photo-CELIV光照線性增壓載流子抽取
在光照線性增壓載流子抽取測試中,，光脈沖照射到器件上產(chǎn)生自由電荷載流子，隨后這些載流子通過抽取電壓被從器件中抽取出來,；提取出來的電荷載流子產(chǎn)生的電流就會疊加在位移電流上,，導(dǎo)致電流過沖 Δj = jmax-jdisp，并最終回到位移電流,。光源可使用發(fā)光二極管 (LED) 或激光器,。其中μ是電荷載流子遷移率，d是活性層厚度,，A是線性抽取電壓斜率,，tmax是電流達(dá)到峰值的時間，jdisp是位移電流,，Δj 是峰值電流減去位移電流,。公式中的因子 1 + 0.36?Δj / jdisp 是對電場重新分布的理論修正。圖7 顯示Photo-CELIV模擬仿真結(jié)果,。所有器件均顯示電流過沖，峰值時間范圍為2至6 μs,。圖7（f）顯示了使用圖6計算的遷移率,；在低遷移率的情況下（圖7（b）），電流抽取速度較慢,，抽取的遷移率較低,；陷阱會顯著影響電荷提?。ㄈ鐖D7（c）），深陷阱會產(chǎn)生額外的復(fù)合中心(SRH),，因此提取的電荷較少,；當(dāng)然，淺陷阱可以減少載流子復(fù)合,；因此,，提取的電荷越多，明顯遷移率越低,。圖7. 以上是Photo-CELIV仿真各種情況,。光源在t=0時關(guān)閉，具有一定斜率的線性抽取電壓在t=0開始,，斜率為100 V/ms,。設(shè)置加載抽取電壓啟動之前的偏置電壓，使得t<0時電流為零,。（F）條形圖顯示了使用等式（9）從峰值位置（tmax）計算的電荷載流子遷移率,。灰線表示用作模擬仿真輸入的電子遷移率,。Photo-CELIV光照線性增壓載流子也可用于評估復(fù)合系數(shù),。因此，在光脈沖關(guān)閉與加載線性抽取電壓之間,，定義不同的延遲時間進(jìn)行多次測試,。然后得到的電荷載流子密度與延遲時間的關(guān)系曲線。復(fù)合系數(shù)是通過擬合方程(dn/dt = ?k2?n2 ? k1?n)獲得,。如果在時間延遲過程中保持恒定偏壓,，則會注入電荷（如果電壓過高）或抽取電荷（如果電壓過低）。為了在時間延遲期間使電池處于開路狀態(tài),，Clarke等人使用了非?？焖俚碾婇_關(guān)來控制。Baumann和合作者提出了一種更容易實現(xiàn)的替代方案,，并將其命名為OTRACE,；首先測量光電壓衰減，接著在CELIV測試的時間延遲過程中施加該電壓信號,；OTRACE 確保電荷載流子在時間延遲期間在器件中存留和復(fù)合,，從而提高了實驗的準(zhǔn)確性。以上所有測試數(shù)據(jù)來自設(shè)備：Paios
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