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.
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.
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.
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.
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%) <…
The authors have nothing to disclose.
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.
Hellmanex III detergent | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en®ion=AU |
Z805939 | Corrosive and toxic. See SDS. |
Lead (II) iodide (99%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en®ion=AU |
211168 | Toxic. See SDS |
Anhydrous dimethylformamide (99.8%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en®ion=AU |
227056 | Toxic. See SDS |
Anhydrous dimethylsulfoxide (99.9%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en®ion=AU |
276855 | Toxic. See SDS |
Anhydrous 2-Propanol (99.5%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en®ion=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®ion=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. |