电化学阻抗谱简介.ppt

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1、关于电化学阻抗谱简介现在学习的是第1页，共31页内容概要关于关于EIS方法方法什么是什么是EIS方法方法?EIS测量有哪些特点测量有哪些特点?哪些体系适合进行哪些体系适合进行EIS测定测定?如何测量得到如何测量得到EIS?EIS测量结果的有哪些表达形式测量结果的有哪些表达形式?IS在在DSC和和CIS电池中的应用举例电池中的应用举例现在学习的是第2页，共31页什么是EIS?EIS：Electrochemical Impedance Spectroscopy别名：交流阻抗别名：交流阻抗(AC impedance)定义：是一种以小振幅的正弦波电位定义：是一种以小振幅的正弦波电位(或电流或电流)为扰

2、动信号的电化学测量方法。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电流或者电位电流或者电位电位或者电流电位或者电流角频率为正弦波信号Y在一系列在一系列 下测得的一组这种频响函数值就是电极系统的下测得的一组这种频响函数值就是电极系统的EISEIS，即，即G(G()曹楚南、张鉴清著，曹楚南、张鉴清著，电化学阻抗谱导论电化学阻抗谱导论，2002年年Y=G()XG()为阻抗或者导纳为阻抗或者导纳现在学习的是第3页，共31页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。间浓度变化及

3、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）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。断子过程的数目及其动力学特征。曹楚南、张鉴清著，曹楚南、张鉴清著，电化学阻抗

4、谱导论电化学阻抗谱导论，2002年年现在学习的是第4页，共31页哪些体系适合进行哪些体系适合进行EIS测定测定?因果性条件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。极系统只对该电位信号进行响应。线性条件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。变化与该状态变量的关系近似作线性处理。稳定性条件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，可电极系统在受到扰动后时，其内部结构所发

5、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。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，曹楚南、张鉴清著，电化学阻抗谱导论电化学阻抗谱导论，2002年年现在学习的是第5页，共31页如何测量得到如何测量得到EIS?装置简图装置简图相应的操作软件相应的操作软件Potentiostat(EG&G,M273)Lock-in amplifier(EG&G,M5210).现在学习的是第6页，共31页EIS测量结果的表达形式测量结果的表达形式Y=G()X G()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，用变量为量为f

6、或其角频率为或其角频率为 的复变函数表示，可记为：的复变函数表示，可记为：G()G()jG()若若G为阻抗，则有为阻抗，则有Z()Z()jZ()相位角相位角 arctg(-Z/Z)-ZZ为阻抗复平面图，也称为为阻抗复平面图，也称为Nyquist图；图；log f(或或log )log|Z|log f(或或log )Bode 图现在学习的是第7页，共31页EIS测量结果典型示例测量结果典型示例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现在学习的是第8页，共31页EIS测量结果的分析方法测量结果的分析方法等效电路等效电路

7、Typical exampleRsRctCH+-+-MetalElectrolyteElectrochemical systemNormal equivalent circuit10100100 F现在学习的是第9页，共31页常相位角元件Constant-Phase Element(CPE)Q弥散效应：固体电极的电双层电容的频响特性与弥散效应：固体电极的电双层电容的频响特性与“纯电容纯电容”并不一致，而有或大或小的偏离的现象。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，曹楚南、张鉴清著，电化学阻抗谱导论电化学阻抗谱导论，2002年年现在学习的是第10页，共31页用于电导测定

8、用于电导测定过程研究过程研究电池稳定性测试电池稳定性测试电场分布及表面态能量分布电场分布及表面态能量分布在染料敏化电池在染料敏化电池（DSC）中的应用）中的应用现在学习的是第11页，共31页串联阻抗(RS)Electrolyte resistanceElectrode resistanceInterfacial resistance between electrode and TCOSchematic diagram of DSCB.-K.Koo,et al,J Electroceram.2006,17,79-82Equivalent circuit现在学习的是第12页，共31页Variati

9、on of efficiency of DSSC using Pt electrodes and CNT electrode with timeB.-K.Koo,et al,J Electroceram.2006,17,79-82现在学习的是第13页，共31页Application in the measurement of conductivityInitial:17 ohmAfter 5 days:62.5 ohmB.-K.Koo,et al,J Electroceram.2006,17,79-82CNTPtNo significant change现在学习的是第14页，共31页电极过程研

10、究电极过程研究FrequencyHigh(kHz)Low(mHz)Middle(10100 Hz)Charge-transfer at the platinum counter electrodePhotoinjected electrons within the TiO2Nernstian diffusion within the electrolyteA typical EIS for DSCThree semicircles in the Nyquist plot Three characteristic frequency peaks in a Bode phase angle pre

11、sentationER.Kern,et al,Electrochimica Acta.2002,47,4213-4225现在学习的是第15页，共31页过程研究示例过程研究示例 1：Nyquist 图 Kuo-Chuan Ho Group,Solar Energy Mater.&Solar Cells,2006,90,2398-2404现在学习的是第16页，共31页Kuo-Chuan Ho Group,Solar Energy Mater.&Solar Cells,2006,90,2391-2397Michael Grtzel Group,JACS,2006,128,4146-4154R.Ker

12、n,et al,Electrochimica Acta.2002,47,4213-4225过程研究示例过程研究示例 2：Bode 图 现在学习的是第17页，共31页Jianbao Li Group,Electrochem.Commun.2006,8,946-950Warburg impedanceFinite diffusion impedance过程研究示例过程研究示例 3：Nyquist 图 现在学习的是第18页，共31页在在 CuInS2太阳电池中的应用太阳电池中的应用 现在学习的是第19页，共31页Background and experimentalType transformati

13、on in CuInSe2 and CuInS2 solar cells is an important issue with far reaching consequences.p-type(Cu-rich)n-type(Cu-poor)In the present study,the presence of a p-n homojunction inside CuInS2 in a TiO2/CuInS2 device is revealed with a detailed impedance spectroscopy and capacitance study.n-TiO2140 nmp

14、-CuInS2130 nmTCO 40 nm n-CuInS2Carbon spot(graphite conductive adhesive,2.3 mm)Spray pyrolysis n-n-p system现在学习的是第20页，共31页Techniques for the measurement of homojunction in CISElectron-beam-induced current(EBIC)only thick type-converted CuInSe2 layers several micrometersSecondary ion mass spectroscop

15、y(SIMS).only thick type-converted CuInSe2 layers several micrometers Impedance spectroscopy(IS)Monitor the presence of a n-type region in CuInS2 with unprecedented accuracy.Determine the thickness,as well as the effective donor and acceptor densities.Find out the energy positions of the involved dee

16、p acceptor state and deep hole trap by measuring the temperature dependence of the interface capacitance.现在学习的是第21页，共31页Results and DiscussionI-V curves of TiO2/CuInS2 devices at different temperatures in the darkGood diode behavior at all temperatures.现在学习的是第22页，共31页l IS of TiO2/CuInS2 devices at d

17、ifferent potentials and temperaturesFor frequencies above 100 kHz,the R1C1 branch dominates over the others.Accordingly,at 1 MHz C1,being the space-charge capacitance,can be calculated directly from theimaginary part of the impedance Z”.f=100Hz 1MHz现在学习的是第23页，共31页l C2-V plots of a TCO/TiO2/CuInS2/ca

18、rbon device at different temperatures.现在学习的是第24页，共31页Junction ModelsT340 K340KT400 K340KT400 KFull Depletion Region(FDR)FDRFDRFDRFDR p-n-n system Band diagrams of p-CuInS2/n-CuInS2/n-TiO2 as a function of temperature at zero applied bias voltage.现在学习的是第25页，共31页C2-V equations deduced by the supposed

19、modelsModel IModel II-AModel II-BModel IIIT340 K340KT400 K Upon fitting the above expressions to the experimental data,using relative dielectric constants of 55 for anataseTiO2 and 10 for both p-and n-CuInS2.现在学习的是第26页，共31页Parameters obtained from the C2-V equations Model Parametersn-CuInS2p-CuInS2I

20、I-AThickness(nm)10030ND&NA(cm-3)4101621017II-BThickness(nm)4090ND&NA(cm-3)2101741016Note:T=400 KBecause p-CuInS2 is firstly deposited,model II-B is more reasonable.现在学习的是第27页，共31页SummaryEIS is a powerful tool for identifying electronic and ionic transport processes in DSC.IS is a technology versatil

21、e and sensitive to the interface and structure of junctions.Michael Grtzel Group,JACS,2006,128,4146-4154现在学习的是第28页，共31页致 谢感谢施晶莹博士在报告材料方面给予的大力帮助感谢施晶莹博士在报告材料方面给予的大力帮助感谢感谢504组同学给予的有益讨论组同学给予的有益讨论谢谢大家谢谢大家!现在学习的是第29页，共31页ND&NA 1/Tn-CuInS2p-CuInS2Both acceptor and donor densities decrease with increasing temperature,opposite to our expectations.This is explained by the activation of a Cu”In acceptor state in n-type CuInS2 and a thermally activated hole trap in p-type CuInS2.现在学习的是第30页，共31页03.10.2022感谢大家观看现在学习的是第31页，共31页