Die zwei Gesichter der Kapazität: Neue Interpretationen für elektrische Impedanzmessungen von Perowskit-Solarzellen und deren Beziehung zur Hysterese

Perowskit-Solarzellen sind dafür bekannt, ein transienten Verhalten zu zeigen, das in herkömmlichen anorganischen Halbleiterbauelementen nicht zu sehen ist. Bedeutende Fortschritte wurden beim Verständnis dieser Tatsache in Bezug auf die schnelle Ionenmigration erzielt, die mittlerweile eine gut etablierte Eigenschaft des Prototyp-Photovoltaik-Perowskits MAPbI3 ist und stark in den neueren Mischkompositionen vermutet wird. Hier untersuchen wir die Manifestationen der Ionenmigration in frequenzabhängigen Kleinsignalsmessungen, wobei wir uns auf die populäre Technik der Elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS) konzentrieren. Wir bieten neue Interpretationen für eine Vielzahl von zuvor rätselhaften Merkmalen, einschließlich gigantischer fotoinduzierter Niedrigfrequenzkapazität und negativer Kapazität in verschiedenen Formen. Wir zeigen, dass diese scheinbar seltsamen Messungen durch die Aufteilung des AC-Stroms in zwei Komponenten rationalisiert werden können, von denen eine mit der Ladungsspeicherung und die andere mit dem quasi-stationären Rekombinationsstrom von Elektronen und Löchern verbunden ist. Letzterer Beitrag zur Kapazität kann entweder ein positives oder ein negatives Vorzeichen annehmen und ist potenziell sehr groß, wenn langsame, spannungsempfindliche Prozesse wie die Ionenmigration im Spiel sind. Mithilfe numerischer Drift-Diffusions-Halbleitermodelle zeigen wir, dass gigantische fotoinduzierte Kapazität, induktive Schleifenmerkmale und Niedrigfrequenz-negative Kapazität allesamt natürlich als Folgen der Ionenmigration aufgrund ihrer Kopplung an quasi-stationäre Elektronen- und Löcherströme entstehen. So vereinigen wir das Verständnis von EIS-Messungen mit der vergleichsweise gut entwickelten Theorie der geschwindigkeitsabhängigen Strom-Spannung (I-V)-Messungen in Perowskit-Zellen. Im Vergleich der beiden Techniken argumentieren wir, dass EIS besser geeignet ist, um die I-V-Hysterese zu quantifizieren als herkömmliche Methoden, die auf I-V-Scans basieren, und demonstrieren diese Anwendung an verschiedenen Zelltypen.