Mesures CELIV sur les cellules solaires à pérovskite : partie a

1. Aperçu général

Dans ce tutoriel, nous commencerons par présenter les concepts de base de la technique d’extraction de charge par augmentation linéaire de la tension (CELIV), en expliquant comment elle est utilisée pour étudier la mobilité et la densité des porteurs dans les semi-conducteurs en couches minces. Après avoir établi le cadre théorique, nous passerons rapidement aux étapes pratiques, en montrant comment configurer et exécuter une simulation CELIV dans OghmaNano. Cette combinaison de théorie et de simulation pratique permettra de bien comprendre la méthode et de disposer des outils nécessaires pour l’appliquer à vos propres dispositifs.

2. Historique de CELIV

La technique d’extraction de charge par augmentation linéaire de la tension (CELIV) est une méthode expérimentale utilisée pour étudier la mobilité et la densité des porteurs de charge dans les cellules solaires organiques et à pérovskite. Dans une configuration typique, une cellule solaire est connectée à un générateur de signaux qui applique une tension inverse augmentant linéairement, tandis que le courant transitoire résultant est enregistré sur un oscilloscope. Une illumination continue ou une brève impulsion laser peuvent être ajoutées en option pour générer des porteurs de charge. Un schéma de cette configuration est présenté dans ??.

Lorsque la tension est appliquée progressivement, le courant mesuré est constitué de deux éléments distincts : une base rectangulaire due à la capacité géométrique du dispositif et un pic supplémentaire résultant de l’extraction des porteurs de charge mobiles dans le semi-conducteur. Le terme de capacité géométrique est toujours présent, tandis que le pic lié aux porteurs fournit des informations directes sur la mobilité et la densité des porteurs. Un exemple de ces transitoires de tension et de courant est présenté dans ??.

La mobilité des porteurs de charge peut être déterminée directement à partir de la réponse transitoire de la méthode CELIV en mesurant le temps auquel le courant d’extraction atteint sa valeur maximale. Dans le cas le plus simple, où la distribution des porteurs de charge est uniforme et la recombinaison est négligeable, la mobilité est donnée par l’équation CELIV : \[ \mu = \frac{2 d^{2}}{3 A t_{\text{max}}^{2}} \] où \(d\) est l’épaisseur de la couche active. \(A\) est-ce la vitesse de variation de la tension ?\(A = \mathrm{d}V/\mathrm{d}t\)et \(t_{\text{max}}\) c’est le moment où se produit le pic actuel. Cette relation fait le lien entre le phénomène transitoire observé expérimentalement et le paramètre fondamental de transport qui nous intéresse.Dérivation originale de Juska.)

3. Limites de CELIV

La dérivation de l’équation de mobilité CELIV repose sur plusieurs hypothèses simplificatrices. Premièrement, on suppose qu’un seul type de porteur de charge domine le transport, de sorte que seule une espèce de porteur unique se déplace lorsque la tension est appliquée progressivement. Deuxièmement, on suppose que les porteurs sont répartis uniformément et qu’ils se déplacent en douceur hors de l’appareil, d’une manière similaire au cas idéalisé présenté à gauche. ??Troisièmement, on considère que les processus de recombinaison sont négligeables pendant l’extraction, de sorte qu’il n’y a pas de perte significative de porteurs de charge. En réalité, ces conditions ne sont que rarement remplies, comme l’illustre l’image ci-dessous. ??les porteurs de charge occupent souvent des pièges peu profonds, moyens ou profonds, et leur libération retardée entraîne une élargissement ou une distorsion des signaux transitoires d’extraction. Comme pour de nombreuses techniques expérimentales, la mobilité obtenue à l’aide de la méthode CELIV doit donc être considérée comme une approximation plutôt que comme la valeur microscopique réelle, et en fait, la mobilité apparente peut évoluer pendant le signal transitoire lui-même.Une analyse critique de CELIV, mettant en évidence ses limites.). Cette limitation est particulièrement importante dans les semi-conducteurs organiques désordonnés, où le désordre énergétique et la présence de pièges affectent considérablement le transport. En revanche, les matériaux à base de pérovskite présentent souvent une mobilité plus élevée et une densité de pièges plus faible, ce qui rend l’analyse CELIV standard plus fiable et plus facile à interpréter.

4 : Exécution d’une simulation CELIV sur OghmaNano.

Cliquez sur « Nouvelle simulation ». Cela ouvre la bibliothèque des types d’appareils disponibles, comme indiqué dans ??. Double-cliquez sur « Cellules pérovskites » (en surbrillance en rouge) pour ouvrir le dossier contenant les exemples de pérovskites. Vous verrez une liste de simulations prédéfinies, notamment « Appareil MAPbI₃ », « Cellule solaire à pérovskite » et des démonstrations CELIV spécifiques, comme indiqué dans ??. Pour ce tutoriel, sélectionnez l’exemple « Cellule solaire à pérovskite – CELIV ». Lorsque vous y êtes invité, enregistrez la simulation dans un dossier où vous avez les droits d’écriture.

Après avoir sélectionné la cellule solaire à pérovskite – exemple CELIV, la fenêtre principale de simulation s’ouvre (voir ??). Pour lancer le calcul, cliquez sur « Exécuter la simulation » (icône de lecture bleue) ou appuyez sur la touche F9. OghmaNano résoudra alors les équations de dérive-diffusion dépendant du temps et générera la réponse transitoire de la CELIV.

Étape 5 : Consultez les résultats de CELIV.

Ouvrez Résultat tab (??) et double-cliquez time_v.csvVoici la représentation graphique du programme de tension appliquée, c’est-à-dire la courbe de variation de la tension CELIV, telle qu’elle apparaît dans… ??Ensuite, double-cliquez. time_j.csv pour afficher la variation temporelle du courant d’extraction, comme dans ??Vous remarquerez que le composant transitoire présente la forme CELIV habituelle, mais qu’il apparaît **inversé** : selon la convention de signe utilisée dans OghmaNano, le courant sortant de l’appareil est négatif. Lorsque la rampe est activée... ?? est appliquée, la charge est extraite de l’appareil, ce qui fait que l’appareil fournit un courant négatif (pic d’extraction). Le pic ultérieur, de signe opposé (positif), ??se produit lorsque la tension de polarisation revient et que la charge se réaccumule dans le dispositif après que la surtension est retombée à sa valeur initiale.

Le graphique de la figure ?? présente la réponse transitoire du CELIV après avoir multiplié le courant simulé par –1, afin de l’adapter à la présentation conventionnelle utilisée dans les expériences. Dans cette forme, la ligne de base correspond à la capacité géométrique du dispositif, tandis que le pic positif marqué indique l’extraction des porteurs de charge mobiles pendant la rampe de tension appliquée. L’amplitude et le moment de ce pic sont les principales valeurs utilisées pour déterminer la mobilité et la densité des porteurs. La présentation de la réponse transitoire dans cette orientation conventionnelle facilite la comparaison directe des simulations OghmaNano avec les mesures CELIV publiées. Pour déterminer la mobilité, il faut identifier le moment où le courant atteint sa valeur maximale (\(t_\text{max}\)) et remplacer cette valeur dans l’équation de mobilité CELIV \(\mu = \tfrac{2d^2}{3At_\text{max}^2}\), où \(d\) représente l’épaisseur de la couche active et \(A\) représente la vitesse de la rampe de tension appliquée.