Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

Joanna A. Guse; Timothy W. Jones; Andrew Danos; Dane R. McCamey

doi:10.3791/55232

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Ingegneria

Recombinatie Dynamiek in dunne-film Photovoltaic Materials via Tijdopgeloste Magnetron geleidbaarheid

Published: March 06, 2017

doi:

10.3791/55232

Joanna A. Guse², Timothy W. Jones, Andrew Danos, Dane R. McCamey²

¹ARC Centre of Excellence in Exciton Science, ²School of Physics,University of New South Wales, ³CSIRO,CSIRO Energy Centre, ⁴School of Chemistry,University of New South Wales

Summary

A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.

Abstract

Werkwijze voor het onderzoeken recombinatie dynamiek van foto-geïnduceerde ladingsdragers in halfgeleiders dunne film, met name in fotovoltaïsche materialen zoals organo-Loodhalide perovskieten gepresenteerd. De perovskiet laagdikte en absorptiecoëfficiënt worden in eerste instantie gekenmerkt door profilometrie en UV-VIS absorptie spectroscopie. Kalibratie van zowel laservermogen en holle gevoeligheid beschreven. Een protocol voor het uitvoeren Flash-fotolyse Tijdopgeloste microgolfgeleiding (TRMC) experimenten, een contactloze werkwijze voor het bepalen van de geleidbaarheid van een materiaal wordt gepresenteerd. Werkwijze voor het identificeren van de werkelijke en imaginaire componenten van het complex geleiding bij het uitvoeren TRMC als functie van de microgolf frequentie wordt gevormd. Ladingsdragers dynamiek worden bepaald onder verschillende excitatie regimes (met inbegrip van zowel kracht en golflengte). Technieken voor het onderscheid tussen directe en-trap gemedieerde rottingsprocessen gepresenteerd en besproken.Resultaten worden gemodelleerd en uitgelegd aan de hand van een algemene fotogeïnduceerde kinetisch model van ladingsdragers in een halfgeleider. De beschreven technieken zijn toepasbaar op een breed scala van opto materialen, waaronder organische en anorganische fotovoltaïsche materialen, nanodeeltjes en geleidende / halfgeleidende dunne films.

Introduction

Flash-fotolyse-time opgelost magnetron geleidbaarheid (FP-TRMC) houdt toezicht op de dynamiek van de foto-enthousiast ladingdragers op het ns-microseconde tijdschaal, waardoor het een ideaal hulpmiddel voor het onderzoeken van ladingsdragers recombinatie processen. Het begrijpen van de mechanismen van verval fotogeïnduceerde ladingsdragers in halfgeleiders dunne film is van cruciaal belang in een aantal toepassingen, waaronder fotovoltaïsche inrichting optimalisatie. De geïnduceerde carrier levens zijn vaak functies van geïnduceerde carrier dichtheid, excitatiegolflengte, mobiliteit, val dichtheid en de vangst tarief. Deze paper toont de veelzijdigheid van de tijdsopgeloste Microwave geleidbaarheid (TRMC) techniek voor het onderzoeken van een breed scala van carrier dynamische afhankelijkheden (intensiteit, golflengte, magnetron frequentie) en hun interpretaties.

Photogenerated kosten kunnen wijzigen om zowel de reële en imaginaire delen van de diëlektrische constante van een materiaal, afhankelijk van hun mobiliteit en degre e van de bevalling / lokalisatie ^1. De geleidbaarheid van een materiaal is evenredig aan de complexe diëlektrische constante

waar is de frequentie van een microgolf elektrisch veld, en zijn de reële deel van de diëlektrische constante. Zo wordt het reële deel van de geleidbaarheid met betrekking tot het imaginaire deel van de diëlektrische constante, en kan worden naar magnetron absorptie, terwijl het imaginaire deel van de geleidbaarheid (hierna afgekort als polarisatie) houdt verband met een verschuiving van de resonantiefrequentie van het microgolfveld ^1.

t "> TRMC biedt verscheidene voordelen boven andere technieken. Bijvoorbeeld, DC fotoconductiviteit metingen lijden aan diverse complicaties van contact brengen van het materiaal met elektroden. Verbeterde recombinatie aan de elektrode / materiaal interface terug injecteren van ladingen via deze interface, en verbeterde dissociatie van excitonen en geminate paren als gevolg van de aangelegde spanning ² allemaal leiden tot verstoringen in de gemeten mobiliteiten en levens. in tegenstelling TRMC is een elektrodeloze techniek die de intrinsieke mobiliteit van de dragers meet zonder vervormingen als gevolg van de overdracht aan de overkant van de contacten op te laden .

Een belangrijk voordeel van microgolfvermogen als een probe voor carrier dynamics is dat naast het controleren van verval levensduur van ladingsdragers, bederf instrumenten / routes kunnen ook worden onderzocht.

TRMC kan worden gebruikt om het totale mobiliteit ³ en leven bepalentijd ⁴ van geïnduceerde ladingsdragers. Deze parameters kunnen vervolgens worden gebruikt om onderscheid te maken tussen directe en val bemiddelde recombinatie mechanismen ^{^3,} ^5. De afhankelijkheid van deze twee afzonderlijke paden verval kan kwantitatief worden geanalyseerd als functie van ladingsdichtheid ^{^3,} ⁵ en excitatie-energie / golflengte ^5. De lokalisatie / opsluiting van geïnduceerde dragers kan worden onderzocht door het vergelijken van het verval van de geleidbaarheid versus polariseerbaarheid ⁵ (imaginaire vs reële deel van de diëlektrische constante).

Bovendien, en misschien nog belangrijker, TRMC kan worden gebruikt te controleren toestanden die als ladingsdrager verval pathways karakteriseren. Oppervlak vallen, bijvoorbeeld, kunnen worden onderscheiden van bulk vallen door vergelijking gepassiveerd vs gepassiveerde monsters ^6. Sub-bandgap staten kunnenrechtstreeks onderzocht met behulp van sub-bandgap excitatie-energie ^5. Trap dichtheden kan worden afgeleid door het aanbrengen TRMC gegevens ^7.

Door de veelzijdigheid van deze techniek is TRMC toegepast op een groot aantal materialen zoals studeren: traditionele dunne film halfgeleiders zoals silicium ^{^6,} ⁸ en TiO ₂ ^{^9,} ^_10, nanodeeltjes ^11, nanobuizen ^1, organische halfgeleiders ^12, materieel mengsels ^{^13,} ^14, en hybride fotovoltaïsche materialen ^{^3,} ^{^4,} ^5.

Teneinde kwantitatieve informatie met behulp TRMC verkrijgen, is het cruciaal om nauwkeurig te kunnen bepalen het aantalgeabsorbeerde fotonen voor een bepaalde optische excitatie. Aangezien methoden voor het kwantificeren van de absorptie van dunne films, nanodeeltjes, oplossingen en ondoorzichtige monsters verschillen, worden de monstervoorbereiding en calibratietechnieken hier gepresenteerde speciaal ontworpen voor dunne film monsters. De TRMC meetprotocol gepresenteerd is zeer algemeen.

Protocol

1. Monstervoorbereiding Let op: Sommige chemicaliën die worden gebruikt in dit protocol kan gevaarlijk zijn voor de gezondheid. Raadpleeg dan eerst alle relevante veiligheidsinformatiebladen voordat een monster voorbereiding plaatsvindt. Maak gebruik van geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (witte jassen, een veiligheidsbril, handschoenen, etc.) en technische maatregelen (bv glovebox, zuurkast, etc.) bij het hanteren van de perovskiet voorlopers, en oplosmidd…

Representative Results

De vertegenwoordiger van de hier gepresenteerde resultaten werden verkregen uit een 250 nm CH 3 NH 3 PBI 3 dunnefilmmonster. De dynamiek van de geleidbaarheid kan worden gerelateerd aan de dynamiek van de ladingsdragers via <p class="jove_content" fo:…

Discussion

Terwijl de TRMC techniek een schat aan informatie over enfotogeïnduceerde ladingsdragers dynamiek kan bieden, is dit een indirecte meting van de geleidbaarheid, en dus zorg moet worden genomen bij het interpreteren van de resultaten. De TRMC techniek meet volledige mobiliteit, en kan niet worden gebruikt om onderscheid te maken tussen elektronen en gaten mobiliteit. De onderliggende aanname dat geleidbaarheid evenredig aan de veranderingen in gereflecteerde vermogen geldt alleen wanneer dat verandering klein (<5%) <…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Acknowledgment is made to the Australian Research Council (LE130100146, DP160103008). JAG is supported via an Australian Postgraduate Award, and DRM by an ARC Future Fellowship (FT130100214). We thank Nikos Kopidakis for helpful discussions.

Materials

Hellmanex III detergent	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en&region=AU	Z805939	Corrosive and toxic. See SDS.
Lead (II) iodide (99%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en&region=AU	211168	Toxic. See SDS
Anhydrous dimethylformamide (99.8%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en&region=AU	227056	Toxic. See SDS
Anhydrous dimethylsulfoxide (99.9%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en&region=AU	276855	Toxic. See SDS
Anhydrous 2-Propanol (99.5%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en&region=AU&gclid= COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q	278475
Methylammonium iodide	Dyesol www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html	MS101000	Also sold by Sigma Aldrich
Poly(methyl methacrylate)	Sigma Aldrich	445746
Anhydrous chlorobenzene (99.8%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en&region=AU	284513	Toxic. See SDS
Equipment	Company	Model	Comments/Description
UV-VIS-NIR spectrophotometer	Perkin-Elmer	Lambda 900
Profilometer	Veeco	Dektak 150
Vector Network Analyzer	Keysight www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&lc=eng	Fieldfox N9918A
Tunable wavelength laser	Opotek www.opotek.com/product/opolette-355	Opolette 355
Neutral density filters	Thorlabs www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193	NUK01
Power meter	Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D	PM100D
Power sensor	Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C	S401C
Cavity	Custom built		The cavity used in for this experiment was designed and built in-house.

Riferimenti

Park, J., Reid, O. G., Blackburn, J. L., Rumbles, G. Photoinduced spontaneous free-carrier generation in semiconducting single-walled carbon nanotubes. Nat. Comm. 6 (8809), (2015).
Dicker, G., de Haas, M. P., Siebbeles, L. D., Warman, J. M. Electrodeless time-resolved microwave conductivity study of charge-carrier photogeneration in regioregular poly (3-hexylthiophene) thin films. Phys. Rev. B. 70 (4), 045203 (2004).
Oga, H., Saeki, A., Ogomi, Y., Hayase, S., Seki, S. Improved understanding of the electronic and energetic landscapes of perovskite solar cells: high local charge carrier mobility, reduced recombination, and extremely shallow traps. J. Am. Chem. Soc. 136 (39), 13818-13825 (2014).
Ponseca, C. S., et al. Organometal halide perovskite solar cell materials rationalized: ultrafast charge generation, high and microsecond-long balanced mobilities, and slow recombination. J. Am. Chem. Soc. 136 (14), 5189-5192 (2014).
Guse, J. A., et al. Spectral dependence of direct and trap-mediated recombination processes in lead halide perovskites using time resolved microwave conductivity. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 12043-12049 (2016).
Kunst, M., Abdallah, O., Wünsch, F. Passivation of silicon by silicon nitride films. Solar energy materials and solar cells. 72 (1-4), 335-341 (2002).
Hutter, E. M., Eperon, G. E., Stranks, S. D., Savenije, T. J. Charge Carriers in Planar and Meso-Structured Organic-Inorganic Perovskites: Mobilities, Lifetimes and Concentrations of Trap States. J. Phys. Chem. Lett. 6 (15), 3082-3090 (2015).
Cosme, I., et al. Lifetime assessment in crystalline silicon: From nanopatterned wafer to ultra-thin crystalline films for solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 135, 93-98 (2015).
Katoh, R., Furube, A., Yamanaka, K. I., Morikawa, T. Charge separation and trapping in N-doped TiO2 photocatalysts: A time-resolved microwave conductivity study. J. Phys. Chem. Lett. 1 (22), 3261-3265 (2010).
Colbeau-Justin, C., Valenzuela, M. A. Time-resolved microwave conductivity (TRMC) a useful characterization tool for charge carrier transfer in photocatalysis: a short review. Revista mexicana de física. 59 (3), 191-200 (2013).
Luna, A. L., et al. Synergetic effect of Ni and Au nanoparticles synthesized on titania particles for efficient photocatalytic hydrogen production. Applied Catalysis B: Environmental. 191, 18-28 (2016).
Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Shaheen, S. E., Rumbles, G. Quenching of excitons by holes in poly (3-hexylthiophene) films. J. Phys. Chem. C. 112 (26), 9865-9871 (2008).
Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Shaheen, S. E., Rumbles, G. Dark carriers, trapping, and activation control of carrier recombination in neat P3HT and P3HT: PCBM blends. J. Phys. Chem. C. 115 (46), 23134-23148 (2011).
Savenije, T. J., Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Rumbles, G. Revealing the Dynamics of Charge Carriers in Polymer:fullerene Blends Using Photoinduced Time-Resolved Microwave Conductivity. J. Phys. Chem. C. 117 (46), 24085-24103 (2013).
Xiao, Z., et al. Efficient, high yield perovskite photovoltaic devices grown by interdiffusion of solution-processed precursor stacking layers. Energy Environ. Sci. 7 (8), 2619-2623 (2014).
Infelta, P. P., De Haas, M. P., Warman, J. M. The study of the transient conductivity of pulse irradiated dielectric liquids on a nanosecond timescale using microwaves. Radiat. Phys. Chem. 10 (5-6), 353-365 (1977).
Saeki, A., Seki, S., Sunagawa, T., Ushida, K., Tagawa, S. Charge-carrier dynamics in polythiophene films studied by in-situ measurement of flash-photolysis time-resolved microwave conductivity (FP-TRMC) and transient optical spectroscopy (TOS). Philosophical Magazine. 86 (9), 1261-1276 (2006).
Choi, W., Miyakai, T., Sakurai, T., Saeki, A., Yokoyama, M., Seki, S. Non-contact, non-destructive, quantitative probing of interfacial trap sites for charge carrier transport at semiconductor-insulator boundary. Appl. Phys. Lett. 105 (3), 033302 (2014).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citazione di questo articolo

Guse, J. A., Jones, T. W., Danos, A., McCamey, D. R. Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity. J. Vis. Exp. (121), e55232, doi:10.3791/55232 (2017).