电化学阻抗谱简介

关于电化学阻抗谱简介第1页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五内容概要关于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电池中的应用举例第2页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五什么是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。电极系统角频率为正弦波信号X电流或者电位电位或者电流角频率为正弦波信号Y在一系列下测得的一组这种频响函数值就是电极系统的EIS，即G()～曹楚南、张鉴清著，《电化学阻抗谱导论》，2002年Y=G()XG()为阻抗或者导纳第3页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五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年第4页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五哪些体系适合进行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年第5页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五如何测量得到EIS?装置简图相应的操作软件Potentiostat(EG&G,M273)Lock-inamplifier(EG&G,M5210).第6页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五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)Bode图第7页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五EIS测量结果典型示例NyquistRS**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semicirclepeak第8页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五EIS测量结果的分析方法

——等效电路TypicalexampleRsRctCH+++-+---MetalElectrolyteElectrochemicalsystemNormalequivalentcircuit10100100F＋＋＋＋＋＋－－－－－－第9页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五常相位角元件

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年第10页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五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）中的应用第11页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五串联阻抗(RS)ElectrolyteresistanceElectroderesistanceInterfacialresistancebetweenelectrodeandTCOSchematicdiagramofDSCB.-K.Koo,etal,JElectroceram.2006,17,79-82Equivalentcircuit第12页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五VariationofefficiencyofDSSCusingPtelectrodesandCNTelectrodewithtimeB.-K.Koo,etal,JElectroceram.2006,17,79-82第13页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五ApplicationinthemeasurementofconductivityInitial:17ohmAfter5days:62.5ohmB.-K.Koo,etal,JElectroceram.2006,17,79-82CNTPtNosignificantchange第14页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五电极过程研究FrequencyHigh(kHz)Low(mHz)Middle(10~100Hz)Charge-transferattheplatinumcounterelectrodePhotoinjectedelectronswithintheTiO2NernstiandiffusionwithintheelectrolyteAtypicalEISforDSCThreesemicirclesintheNyquistplotThreecharacteristicfrequencypeaksinaBodephaseanglepresentationR.Kern,etal,ElectrochimicaActa.2002,47,4213-4225第15页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五过程研究示例1：Nyquist图Kuo-ChuanHoGroup,SolarEnergyMater.&SolarCells,2006,90,2398-2404第16页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五Kuo-ChuanHoGroup,SolarEnergyMater.&SolarCells,2006,90,2391-2397MichaelGrätzelGroup,JACS,2006,128,4146-4154R.Kern,etal,ElectrochimicaActa.2002,47,4213-4225过程研究示例2：Bode图第17页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五JianbaoLiGroup,Electrochem.Commun.2006,8,946-950WarburgimpedanceFinitediffusionimpedance过程研究示例3：Nyquist图第18页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五在CuInS2太阳电池中的应用

第19页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五BackgroundandexperimentalTypetransformationinCuInSe2andCuInS2solarcellsisanimportantissuewithfarreachingconsequences.p-type(Cu-rich)n-type(Cu-poor)Inthepresentstudy,thepresenceofap-nhomojunctioninsideCuInS2inaTiO2/CuInS2deviceisrevealedwithadetailedimpedancespectroscopyandcapacitancestudy.n-TiO2140nmp-CuInS2130nmTCO40nmn-CuInS2Carbonspot(graphiteconductiveadhesive,2.3mm)Spraypyrolysisn-n-psystem第20页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五TechniquesforthemeasurementofhomojunctioninCISElectron-beam-inducedcurrent(EBIC)onlythicktype-convertedCuInSe2layersseveralmicrometersSecondaryionmassspectroscopy(SIMS).onlythicktype-convertedCuInSe2layersseveralmicrometersImpedancespectroscopy(IS)Monitorthepresenceofan-typeregioninCuInS2withunprecedentedaccuracy.Determinethethickness,aswellastheeffectivedonorandacceptordensities.Findouttheenergypositionsoftheinvolveddeepacceptorstateanddeepholetrapbymeasuringthetemperaturedependenceoftheinterfacecapacitance.第21页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五ResultsandDiscussionI-VcurvesofTiO2/CuInS2devicesatdifferenttemperaturesinthedarkGooddiodebehavioratalltemperatures.第22页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五ISofTiO2/CuInS2devicesatdifferentpotentialsandtemperaturesForfrequenciesabove100kHz,theR1C1branchdominatesovertheothers.

Accordingly,at1MHzC1,beingthespace-chargecapacitance,canbecalculateddirectlyfromtheimaginarypartoftheimpedanceZ”.f=100Hz~1MHz第23页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五C−2-VplotsofaTCO/TiO2/CuInS2/carbon

deviceatdifferenttemperatures.第24页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五JunctionModelsT<340K340K<T<400K340K<T<400KT>400KFullDepletionRegion(FDR)FDRFDRFDRFDRp-n-nsystemBanddiagramsofp-CuInS2/n-CuInS2/n-TiO2asafunctionoftemperatureatzeroappliedbiasvoltage.第25页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五C−2-VequationsdeducedbythesupposedmodelsModelIModelII-AModelII-BModelIIIT<340K340K<T<400KT>400KUponfittingtheaboveexpressionstotheexperimentaldata,usingrelativedielectricconstantsof55foranataseTiO2and10forbothp-andn-CuInS2.第26页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五ParametersobtainedfromtheC−2-VequationsModelParametersn-CuInS2p-CuInS2II-AThickness(nm)10030ND&NA(cm-3)4×10162×1017II-BThickness(nm)4090ND&NA(cm-3)2×10174×1016Note:T=400KBecausep-CuInS2isfirstlydeposited,modelII-Bismorereasonable.第27页，共31页，2022年，5月20日，11点37分，星期五SummaryEI