La ricombinazione Dynamics nel fotovoltaici a film sottile Materiali tramite risolta nel tempo Microonde Conducibilità
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
Un metodo per indagare le dinamiche di ricombinazione di portatori di carica foto-indotta nei semiconduttori a film sottile, in particolare in materiali fotovoltaici, come organo-piombo perovskiti alogenuri è presentato. Lo spessore del film perovskite e coefficiente di assorbimento sono inizialmente caratterizzate da profilometria e spettroscopia di assorbimento UV-VIS. La calibrazione di entrambi potenza del laser e la cavità sensibilità è descritto in dettaglio. Un protocollo per l'esecuzione risolto microonde conducibilità (TRMC) esperimenti Flash-fotolisi Tempo, un metodo senza contatto di determinare la conduttività di un materiale, è presentato. è dato Procedimento per identificare le componenti reale e immaginaria del complesso conducibilità eseguendo TRMC in funzione della frequenza delle microonde. dinamiche portatori di carica sono determinati in diversi regimi di eccitazione (compresi i termini di potenza e lunghezza d'onda). Tecniche per distinguere tra i processi diretti e trappola-mediata decadimento vengono presentati e discussi.I risultati sono modellati e interpretati con riferimento ad un modello cinetico generale di portatori di carica fotoindotte in un semiconduttore. Le tecniche descritte sono applicabili ad una vasta gamma di materiali optoelettronici, compresi materiali fotovoltaici organici e inorganici, nanoparticelle, e conduzione / semiconduttori film sottili.
Introduction
risolta in tempo flash-fotolisi microonde conducibilità (FP-TRMC) controlla la dinamica di portatori di carica foto-eccitato su scala temporale ns-microsiemens, che lo rende uno strumento ideale per lo studio dei processi di ricombinazione dei portatori di carica. La comprensione dei meccanismi di decadimento di portatori di carica foto-indotta nei semiconduttori a film sottile è di fondamentale importanza in una vasta gamma di applicazioni, tra cui l'ottimizzazione dispositivo fotovoltaico. I tempi di vita vettore indotte sono spesso funzioni di densità indotto vettore, la lunghezza d'onda di eccitazione, la mobilità, la densità e la velocità trappola cattura. Questo documento dimostra la versatilità della tecnica risolta in tempo Microonde conducibilità (TRMC) per indagare una vasta gamma di dipendenze carrier dinamici (intensità, lunghezza d'onda, frequenza microonde) e loro interpretazioni.
oneri fotogenerata possono modificare sia reale e la parte immaginaria della costante dielettrica di un materiale, a seconda della loro mobilità e degre e di confinamento / localizzazione 1. La conduttività di un materiale 
è proporzionale alla sua costante dielettrica complessa
dove 
è la frequenza di un campo elettrico microonde, 
e 
sono le parti reale e immaginaria della costante dielettrica. Così, la parte reale della conducibilità è legata alla parte immaginaria della costante dielettrica, e può essere mappato su assorbimento microonde, mentre la parte immaginaria della conducibilità (in seguito denominato polarizzazione) è collegato a un cambiamento nella frequenza di risonanza del campo di microonde 1.
Un vantaggio significativo con le microonde come sonda per dinamiche portante è che, così come il monitoraggio delle vite di decadimento di portatori di carica, meccanismi di decadimento / percorsi possono essere esaminati.
TRMC può essere utilizzato per determinare la durata totale di mobilità 3 etempo 4 di portatori di carica indotta. Questi parametri possono essere successivamente utilizzati per distinguere tra i meccanismi di ricombinazione diretti e trappola-mediata 3, 5. La dipendenza di questi due percorsi separati decadimento può essere quantitativamente analizzata in funzione della densità del vettore 3, 5 e energia di eccitazione / lunghezza d'onda di 5. La localizzazione / confinamento di vettori indotte può essere studiata confrontando il decadimento della conducibilità vs polarizzabilità 5 (immaginaria vs parte reale della costante dielettrica).
Inoltre, e forse più importante, TRMC può essere utilizzato per caratterizzare gli stati trappola che fungono da percorsi di decadimento portatori di carica. Trappole di superficie, per esempio, possono essere distinte dalle trappole di massa, confrontando passivato vs campioni unpassivated 6. gli stati sub-bandgap puòessere studiati direttamente utilizzando sub-bandgap eccitazione energie 5. Densità Trappola possono essere dedotte inserendo i dati TRMC 7.
Grazie alla versatilità di questa tecnica, TRMC è stata applicata per studiare una vasta gamma di materiali, tra cui: semiconduttori tradizionali film sottile come silicio 6, 8 e TiO 2 9, 10, nanoparticelle 11, nanotubi 1, semiconduttori organici 12, miscele materiali 13, 14, e fotovoltaici ibridi materiali 3, 4, 5.
Allo scopo di ottenere informazioni quantitative usando TRMC, è fondamentale poter determinare con precisione il numerodi assorbimento di fotoni per un dato eccitazione ottica. Dal momento che i metodi per quantificare l'assorbimento di film sottili, nanoparticelle, soluzioni e campioni opachi sono diverse, le tecniche di preparazione e di taratura del campione qui presentati sono stati progettati specificamente per i campioni a film sottile. Tuttavia, il protocollo di misura TRMC presentato è molto generale.
Protocol
Representative Results
Discussion
While the TRMC technique can offer a wealth of information about photoinduced charge carrier dynamics, this is an indirect measurement of conductivity, and therefore care needs to be taken when interpreting results. The TRMC technique measures total mobility, and cannot be used to distinguish between electron and hole mobilities. The underlying assumption that conductivity is proportional to change in reflected power holds only when that change is small (< 5%)16. Furthermore, if the shift in r…
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®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. |
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).
