电化学阻抗谱简介 (EIS).ppt

电化学阻抗谱简介 EIS TypicalapplicationexamplesinDSCandCISsolarcells 503 StateKeyLaboratoryofCatalysis 马贵军2007年11月20日 Seminar2 内容概要 关于EIS方法什么是EIS方法 EIS测量有哪些特点 哪些体系适合进行EIS测定 如何测量得到EIS EIS测量结果的有哪些表达形式 IS在DSC和CIS电池中的应用举例 什么是EIS EIS ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy别名 交流阻抗 ACimpedance 定义 是一种以小振幅的正弦波电位 或电流 为扰动信号的电化学测量方法 EIS测量有哪些特点 以小幅值的正弦波对称的围绕稳定电位极化 不会引起严重的瞬间浓度变化及表面变化 由于通过交变电流是在同一电极上交替地出现阳极过程和阴极过程 即使测量信号长时间作用于电解池 也不会导致极化现象的积累性发展 准稳态方法 速度较快的子过程的阻抗谱出现在比较高的频率域 而速度较慢的子过程的阻抗谱则出现在比较低的频率域 可据此判断子过程的数目及其动力学特征 曹楚南 张鉴清著 电化学阻抗谱导论 2002年 哪些体系适合进行EIS测定 因果性条件当用一个正弦波的电位信号对电极系统进行扰动 要求电极系统只对该电位信号进行响应 线性条件只有当一个状态变量的变化足够小 才能将电极过程速度的变化与该状态变量的关系近似作线性处理 稳定性条件电极系统在受到扰动后时 其内部结构所发生的变化不大 可以在受到小幅度扰动之后又回到原先的状态 曹楚南 张鉴清著 电化学阻抗谱导论 2002年 如何测量得到EIS 装置简图相应的操作软件 Potentiostat EG G M273 Lock inamplifier EG G M5210 EIS测量结果的表达形式 Y G XG 为阻抗或者导纳 总称阻纳 它是一个随频率变化的矢量 用变量为f或其角频率为 的复变函数表示 可记为 G G jG 若G为阻抗 则有Z Z jZ 相位角 arctg Z Z Z Z 为阻抗复平面图 也称为Nyquist图 logf 或log log Z logf 或log EIS测量结果典型示例 Nyquist RS Bode 特征频率 1 RC时间常数 1 RC 表征界面电荷转移速度快慢 semicircle peak EIS测量结果的分析方法 等效电路 Typicalexample Metal Electrolyte Electrochemicalsystem Normalequivalentcircuit 10 100 100 F 常相位角元件Constant PhaseElement CPE Q 弥散效应 固体电极的电双层电容的频响特性与 纯电容 并不一致 而有或大或小的偏离的现象 0 n 1 曹楚南 张鉴清著 电化学阻抗谱导论 2002年 用于电导测定过程研究电池稳定性测试电场分布及表面态能量分布 在染料敏化电池 DSC 中的应用 串联阻抗 RS ElectrolyteresistanceElectroderesistanceInterfacialresistancebetweenelectrodeandTCO SchematicdiagramofDSC B K Koo etal JElectroceram 2006 17 79 82 Equivalentcircuit VariationofefficiencyofDSSCusingPtelectrodesandCNTelectrodewithtime B K Koo etal JElectroceram 2006 17 79 82 Applicationinthemeasurementofconductivity Initial 17ohmAfter5days 62 5ohm B K Koo etal JElectroceram 2006 17 79 82 CNT Pt Nosignificantchange 电极过程研究 Charge transferattheplatinumcounterelectrode PhotoinjectedelectronswithintheTiO2 Nernstiandiffusionwithintheelectrolyte AtypicalEISforDSCThreesemicirclesintheNyquistplotThreecharacteristicfrequencypeaksinaBodephaseanglepresentation R Kern etal ElectrochimicaActa 2002 47 4213 4225 过程研究示例1 Nyquist图 Kuo ChuanHoGroup SolarEnergyMater SolarCells 2006 90 2398 2404 Kuo ChuanHoGroup SolarEnergyMater SolarCells 2006 90 2391 2397MichaelGr tzelGroup JACS 2006 128 4146 4154R Kern etal ElectrochimicaActa 2002 47 4213 4225 过程研究示例2 Bode图 JianbaoLiGroup Electrochem Commun 2006 8 946 950 Warburgimpedance Finitediffusionimpedance 过程研究示例3 Nyquist图 在CuInS2太阳电池中的应用 Backgroundandexperimental TypetransformationinCuInSe2andCuInS2solarcellsisanimportantissuewithfarreachingconsequences p type Cu rich n type Cu poor Inthepresentstudy thepresenceofap nhomojunctioninsideCuInS2inaTiO2 CuInS2deviceisrevealedwithadetailedimpedancespectroscopyandcapacitancestudy n TiO2140nm p CuInS2130nm TCO 40nmn CuInS2 Carbonspot graphiteconductiveadhesive 2 3mm Spraypyrolysis n n psystem TechniquesforthemeasurementofhomojunctioninCIS Electron beam inducedcurrent EBIC onlythicktype convertedCuInSe2layersseveralmicrometersSecondaryionmassspectroscopy SIMS onlythicktype convertedCuInSe2layersseveralmicrometersImpedancespectroscopy IS Monitorthepresenceofan typeregioninCuInS2withunprecedentedaccuracy Determinethethickness aswellastheeffectivedonorandacceptordensities Findouttheenergypositionsoftheinvolveddeepacceptorstateanddeepholetrapbymeasuringthetemperaturedependenceoftheinterfacecapacitance ResultsandDiscussion I VcurvesofTiO2 CuInS2devicesatdifferenttemperaturesinthedark Gooddiodebehavioratalltemperatures ISofTiO2 CuInS2devicesatdifferentpotentialsandtemperatures Forfrequenciesabove100kHz theR1C1branchdominatesovertheothers Accordingly at1MHzC1 beingthespace chargecapacitance canbecalculateddirectlyfromtheimaginarypartoftheimpedanceZ f 100Hz 1MHz C 2 VplotsofaTCO TiO2 CuInS2 carbondeviceatdifferenttemperatures JunctionModels T 340K 340K T 400K 340K T 400K T 400K FullDepletionRegion FDR FDR FDR FDR FDR p n nsystem Banddiagramsofp CuInS2 n CuInS2 n TiO2asafunctionoftemperatureatzeroappliedbiasvoltage C 2 Vequationsdeducedbythesupposedmodels ModelI ModelII A ModelII B ModelIII T 340K 340K T 400K T 400K Uponfittingtheaboveexpressionstotheexperimentaldata usingrelativedielectricconstantsof55foranataseTiO2and10forbothp andn CuInS2 ParametersobtainedfromtheC 2 Vequations Note T 400K Becausep CuInS2isfirstlydeposited modelII Bismorereasonable Summary EISisapowerfultoolforidentifyingelectronicandionictransportprocessesinDSC ISisatechnologyversatileandsensitivetotheinterfaceandstructureofjunctions MichaelGr tzelGroup JACS 2006 128 4146 4154 致谢 感谢施晶莹博士在报告材料方面给予的大力帮助感谢504组同学给予的有益讨论 谢谢大家 ND NA 1 T n CuInS2 p CuInS2 Bothacceptoranddonordensitiesdecreasewithincreasingtemp