第二章 實驗
2.6. 測量
2.6.3. 瞬態光電流與光電壓測量(Photocurrent and photovoltage transient)
(2. 6)
由於測量電流較測量光子數容易，因此把式(2. 6)轉換成式(2. 7)，在消除測量光強度的 步驟後，利用一個已知每個波長下的光電轉換效率的單晶矽太陽能電池做為標準電池 (reference cell)，量測標準電池與實驗 DSSC 的電流，經由式(2. 8)可換算得到 DSSC 的 IPCE。
(2. 7)
(2. 8)
2.6.3. 瞬態光電流與光電壓測量(Photocurrent and photovoltage transient)
瞬態光電流與光電壓測量需要一道穩定的連續波雷射(Continuous wave laser, CW laser)當作背光源，以及一道探測(Probe)光源進行微擾(perturbation)。
我們選擇波長為 532nm 的連續波雷射作為背光源(Bias light)，並搭配一組濾光片 (ND filter)，使我們能得到 11 個不同強度的背光源，分別是全光強度的 1.00、0.92、0.72、
0.57、0.40、0.36、0.30、0.22、0.17、0.14 和 0.10 倍。分別測得 11 個光強度值，與 DSSC 在 11 個不同光強度下的光電流與光電壓。
(2. 9)
(2. 10)
將光強度與光電流分別用式(2. 9)和式(2. 10)分別換算成光通量(photo flux)與電子流量 (charge flux)。將電子流量對光通量做圖，可得到一條通過 0 點的直線，直線的斜率即為 DSSC 在 532nm 的 IPCE。若電子流量對光通練的關係圖不是一條過 0 點的直線，即表 示背光源的波長選擇不當。
在短路電路時可測得 DSSC 的瞬態光電流，由於我們選擇的顯示器是只能讀取電壓
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的示波器，因此在 DSSC 和示波器中間加上一台電流放大器－SR570，使電流等比例轉 換成電壓而能被示波器讀取。另外我們在電路上外加一個 1M 歐姆的電阻，使電流幾乎 無法流出，形成一個類似開路的狀態而可以測量到瞬態光電壓，由於電壓的變化較小，
為了方便觀測紀錄，我們也另外在 DSSC 與示波器中加加上一台電壓放大器－SR560。
當 DSSC 在背光源下達到穩定後，需要另一道探測光源對 DSSC 進行的微擾，讓光 電流/光電壓有輕微改變，借此觀察 DSSC 在不同能階的狀態。
這道探測光源有兩種選擇：
1. 脈衝雷射
我們使用可調波長的 Nd:YAG 雷射，波長選擇在 532nm。整個光路設計如圖 2. 6：
圖 2. 6 瞬態光電流與光電壓測量光路圖(一)
因為 Nd:YAG 雷射的脈衝寬度只有 10ns，遠小於電流回到穩定態的時間(ms)，因此 瞬態光電流會呈現一個符合擴散方程式的電流變化對時間作圖的曲線，因此我們可 以用下面擴散方程式式(2. 11)來擬合得到擴散係數(D)值：
(2. 11)
其中，q 是單位電子的電量，W 是 ATO 的厚度，N 是被激發的電子數，D 是擴散 係數。再以式(2. 12)換算可以電子的傳遞時間(Transport time, TR)。
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(2. 12)
也因為探測雷射照射到 DSSC 的時間(ns)遠遠小於電壓回到穩定態的時間(s)，因此電 壓會在立刻提高到某個高度後開始衰減。我們可以用式(2. 13)來擬合得到電子的生命 期(electron lifetime, R)：
(2. 13)
因此，在陽極基材所能收集到電荷的效率(charge colletion efficiency, CC)可以表示為
(2. 14)
2. 連續波雷射
當我們沒有脈衝雷射的時候，我們選擇用一個連續波雷射搭配一個電控閘門(shutter)，
來模擬脈衝雷射。我們利用 DG535 脈衝產生器(pulse generator)控制閘門開關時間，
並同步示波器的數據讀取。整個光路設計如(圖)：
圖 2. 7 瞬態光電流與光電壓測量光路圖(二)
由於我們使用的電控閘門無法達到奈秒時間的開關速度，因此我們把閘門打開足夠 的時間，使電池達到一個穩定的電流值後再關閉，觀察閘門關閉後的光電流的衰退。
數據處理方如與使用脈衝雷射相同使用(2. 11)
在瞬態電壓的量測上維持和瞬態電流量測時相同的閘門開啟時間，觀察閘門關閉後
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電壓的衰退，數據處理方如與使用脈衝雷射相同的擬合公式。
不論我們探測雷射使用何種方式，都要注意微擾產生的電流需要小於背光源產生的電流 的 10%。