電化學(xué)阻抗譜簡介

關(guān)于電化學(xué)阻抗譜簡介第1頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五內(nèi)容概要關(guān)于EIS方法什么是EIS方法?EIS測量有哪些特點(diǎn)?哪些體系適合進(jìn)行EIS測定?如何測量得到EIS?EIS測量結(jié)果的有哪些表達(dá)形式?IS在DSC和CIS電池中的應(yīng)用舉例第2頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五什么是EIS?EIS：ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy別名：交流阻抗(ACimpedance)定義：是一種以小振幅的正弦波電位(或電流)

為擾動(dòng)信號(hào)的電化學(xué)測量方法。電極系統(tǒng)角頻率為正弦波信號(hào)X電流或者電位電位或者電流角頻率為正弦波信號(hào)Y在一系列下測得的一組這種頻響函數(shù)值就是電極系統(tǒng)的EIS，即G()～曹楚南、張鑒清著，《電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論》，2002年Y=G()XG()為阻抗或者導(dǎo)納第3頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五EIS測量有哪些特點(diǎn)?以小幅值的正弦波對稱的圍繞穩(wěn)定電位極化，不會(huì)引起嚴(yán)重的瞬間濃度變化及表面變化。由于通過交變電流是在同一電極上交替地出現(xiàn)陽極過程和陰極過程，即使測量信號(hào)長時(shí)間作用于電解池，也不會(huì)導(dǎo)致極化現(xiàn)象的積累性發(fā)展。（準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法）速度較快的子過程的阻抗譜出現(xiàn)在比較高的頻率域，而速度較慢的子過程的阻抗譜則出現(xiàn)在比較低的頻率域，可據(jù)此判斷子過程的數(shù)目及其動(dòng)力學(xué)特征。曹楚南、張鑒清著，《電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論》，2002年第4頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五哪些體系適合進(jìn)行EIS測定?因果性條件當(dāng)用一個(gè)正弦波的電位信號(hào)對電極系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)，要求電極系統(tǒng)只對該電位信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。線性條件只有當(dāng)一個(gè)狀態(tài)變量的變化足夠小，才能將電極過程速度的變化與該狀態(tài)變量的關(guān)系近似作線性處理。穩(wěn)定性條件電極系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變化不大，可以在受到小幅度擾動(dòng)之后又回到原先的狀態(tài)。曹楚南、張鑒清著，《電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論》，2002年第5頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五如何測量得到EIS?裝置簡圖相應(yīng)的操作軟件Potentiostat(EG&G,M273)Lock-inamplifier(EG&G,M5210).第6頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五EIS測量結(jié)果的表達(dá)形式Y(jié)=G()XG()為阻抗或者導(dǎo)納，總稱阻納。它是一個(gè)隨頻率變化的矢量，用變量為f或其角頻率為的復(fù)變函數(shù)表示，可記為：

G()＝G’()＋jG’’()

若G為阻抗，則有Z()＝Z’()＋jZ’’()

相位角＝arctg(-Z’’/Z’)-Z’’~Z’為阻抗復(fù)平面圖，也稱為Nyquist圖；~logf(或log)log|Z|~logf(或log)Bode圖第7頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五EIS測量結(jié)果典型示例NyquistRS**Bode特征頻率*=1/RC時(shí)間常數(shù)＝1/*=RC表征界面電荷轉(zhuǎn)移速度快慢semicirclepeak第8頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五EIS測量結(jié)果的分析方法

——等效電路TypicalexampleRsRctCH+++-+---MetalElectrolyteElectrochemicalsystemNormalequivalentcircuit10100100F＋＋＋＋＋＋－－－－－－第9頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五常相位角元件

Constant-PhaseElement(CPE)Q彌散效應(yīng)：固體電極的電雙層電容的頻響特性與“純電容”并不一致，而有或大或小的偏離的現(xiàn)象。0<n<1曹楚南、張鑒清著，《電化學(xué)阻抗譜導(dǎo)論》，2002年第10頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五用于電導(dǎo)測定過程研究電池穩(wěn)定性測試電場分布及表面態(tài)能量分布……在染料敏化電池（DSC）中的應(yīng)用第11頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五串聯(lián)阻抗(RS)ElectrolyteresistanceElectroderesistanceInterfacialresistancebetweenelectrodeandTCOSchematicdiagramofDSCB.-K.Koo,etal,JElectroceram.2006,17,79-82Equivalentcircuit第12頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五VariationofefficiencyofDSSCusingPtelectrodesandCNTelectrodewithtimeB.-K.Koo,etal,JElectroceram.2006,17,79-82第13頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五ApplicationinthemeasurementofconductivityInitial:17ohmAfter5days:62.5ohmB.-K.Koo,etal,JElectroceram.2006,17,79-82CNTPtNosignificantchange第14頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五電極過程研究FrequencyHigh(kHz)Low(mHz)Middle(10~100Hz)Charge-transferattheplatinumcounterelectrodePhotoinjectedelectronswithintheTiO2NernstiandiffusionwithintheelectrolyteAtypicalEISforDSCThreesemicirclesintheNyquistplotThreecharacteristicfrequencypeaksinaBodephaseanglepresentationR.Kern,etal,ElectrochimicaActa.2002,47,4213-4225第15頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五過程研究示例1：Nyquist圖Kuo-ChuanHoGroup,SolarEnergyMater.&SolarCells,2006,90,2398-2404第16頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五Kuo-ChuanHoGroup,SolarEnergyMater.&SolarCells,2006,90,2391-2397MichaelGr?tzelGroup,JACS,2006,128,4146-4154R.Kern,etal,ElectrochimicaActa.2002,47,4213-4225過程研究示例2：Bode圖第17頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五JianbaoLiGroup,Electrochem.Commun.2006,8,946-950WarburgimpedanceFinitediffusionimpedance過程研究示例3：Nyquist圖第18頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五在CuInS2太陽電池中的應(yīng)用

第19頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)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頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五TechniquesforthemeasurementofhomojunctioninCISElectron-beam-inducedcurrent(EBIC)onlythicktype-convertedCuInSe2layersseveralmicrometersSecondaryionmassspectroscopy(SIMS).onlythicktype-convertedCuInSe2layersseveralmicrometersImpedancespectroscopy(IS)Monitorthepresenceofan-typeregioninCuInS2withunprecedentedaccuracy.Determinethethickness,aswellastheeffectivedonorandacceptordensities.Findouttheenergypositionsoftheinvolveddeepacceptorstateanddeepholetrapbymeasuringthetemperaturedependenceoftheinterfacecapacitance.第21頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五ResultsandDiscussionI-VcurvesofTiO2/CuInS2devicesatdifferenttemperaturesinthedarkGooddiodebehavioratalltemperatures.第22頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五ISofTiO2/CuInS2devicesatdifferentpotentialsandtemperaturesForfrequenciesabove100kHz,theR1C1branchdominatesovertheothers.

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

deviceatdifferenttemperatures.第24頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五JunctionModelsT<340K340K<T<400K340K<T<400KT>400KFullDepletionRegion(FDR)FDRFDRFDRFDRp-n-nsystemBanddiagramsofp-CuInS2/n-CuInS2/n-TiO2asafunctionoftemperatureatzeroappliedbiasvoltage.第25頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五C?2-VequationsdeducedbythesupposedmodelsModelIModelII-AModelII-BModelIIIT<340K340K<T<400KT>400KUponfittingtheaboveexpressionstotheexperimentaldata,usingrelativedielectricconstantsof55foranataseTiO2and10forbothp-andn-CuInS2.第26頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)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頁，共31頁，2022年，5月20日，11點(diǎn)37分，星期五SummaryEI