Rekombination Dynamics i Thin-film fotovoltaiske materialer via Time-løst Microwave Ledningsevne
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
En metode til undersøgelse rekombination dynamik foto-induceret ladningsbærere i tyndfilm halvledere, specielt i fotovoltaiske materialer såsom organo-Blyhalogenid perovskiter præsenteres. Perovskit lagtykkelse og absorptionskoefficienten indledningsvis karakteriseret ved profilometri og UV-VIS spektroskopi. Kalibrering af både lasereffekt og hulrum følsomheden er beskrevet i detaljer. En protokol til at udføre Flash-fotolyse Tid Løst Mikroovn Ledningsevne (TRMC) eksperimenter, en berøringsfri metode til bestemmelse af ledningsevne af et materiale, der præsenteres. Fremgangsmåde til at identificere de reelle og imaginære komponenter af komplekset ledningsevne ved at udføre TRMC som funktion af mikrobølgefrekvens er givet. Charge carrier dynamik bestemmes under forskellige excitation regimer (herunder både magt og bølgelængde). Teknikker til at skelne mellem direkte og trap-medieret henfaldsprocesser præsenteres og diskuteres.Resultater er modelleret og fortolket med henvisning til en generel kinetisk model af fotoinducerede ladningsbærere i en halvleder. De beskrevne teknikker kan anvendes til en bred vifte af optoelektroniske materialer, herunder organiske og uorganiske fotovoltaiske materialer, nanopartikler, og ledelse / halvledende tynde film.
Introduction
Flash-fotolyse tidsopløst mikrobølge ledningsevne (FP-TRMC) overvåger dynamik foto-begejstrede ladningsbærere på ns-ps tidshorisont, hvilket gør det til et ideelt værktøj til at undersøge opladning carrier rekombinationsprocesser. Forståelse af henfald mekanismer af foto-induceret ladningsbærere i tynde film halvledere er af afgørende betydning i en række applikationer, herunder solceller enhed optimering. De inducerede carrier levetider er ofte funktioner af induceret bærer densitet, excitationsbølgelængde, mobilitet, fælde tæthed og indfangning sats. Dette papir viser alsidighed Time Løst Microwave Ledningsevne (TRMC) teknik til at undersøge en bred vifte af carrier dynamiske afhængigheder (intensitet, bølgelængde, mikroovn frekvens) og deres fortolkninger.
Fotofrembragte afgifter kan ændre både den virkelige og de imaginære dele af den dielektriske konstant af et materiale, alt efter deres mobilitet og Degre e af indespærring / lokalisering 1. Ledningsevnen af et materiale 
er proportional med dens komplekse dielektriske konstant
hvor 
er frekvensen af en mikrobølgeovn elektrisk felt, 
og 
er de reelle og imaginære dele af den dielektriske konstant. Således er den reelle del af ledningsevnen relateret til den imaginære del af den dielektriske konstant, og kan afbildes på mikrobølgeabsorption, mens den imaginære del af ledningsevnen (senere benævnt polarisering) er relateret til et skift i resonansfrekvensen af mikrobølgefeltet 1.
En væsentlig fordel ved at bruge mikrobølgeeffekt som en sonde til carrier dynamik er, samt overvågning af henfald levetid for ladningsbærere, henfald mekanismer / veje kan også undersøges.
TRMC kan anvendes til at bestemme det samlede mobilitet 3 og livtid 4 af inducerede ladningsbærere. Disse parametre kan efterfølgende anvendes til at skelne mellem direkte og trap-medieret rekombination mekanismer 3, 5. Afhængigheden af disse to separate henfald pathways kan kvantitativt analyseres som funktion af bærer tæthed 3, 5 og excitationsenergi / bølgelængde 5. Lokaliseringen / indespærring af inducerede bærere kan undersøges ved at sammenligne henfald af ledningsevne versus polariserbarhed 5 (imaginær vs reelle del af dielektrisk konstant).
Derudover, og måske vigtigst, TRMC kan bruges til at karakterisere trap stater, der fungerer som opladning carrier henfald veje. Overfladeaktive fælder, f.eks kan skelnes fra bulk fælder ved at sammenligne passiveret vs unpassivated prøverne 6. Sub-båndgab stater kanblive direkte undersøgt ved anvendelse sub-båndgab excitation energier 5. Trap tætheder kan udledes ved at montere TRMC oplysninger 7.
På grund af den alsidighed af denne teknik, har TRMC blevet anvendt til at studere en lang række materialer, herunder: traditionelle tyndfilm halvledere såsom silicium 6, 8 og TiO2 9, 10, nanopartikler 11, nanorør 1, organiske halvledere 12, materielle blandinger 13, 14, og hybrid fotovoltaiske materialer 3, 4, 5.
For at opnå kvantitative oplysninger ved hjælp TRMC, er det afgørende at være i stand til nøjagtigt at bestemme antalletaf absorberet fotoner for en given optisk excitation. Da metoder til kvantificering absorption af tynde film, nanopartikler, løsninger og uigennemsigtige prøver forskellige, er prøveforberedelse og kalibrering teknikker præsenteres her designet specielt til tynde film prøver. Men TRMC måleprotokollen præsenteres er meget generelt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mens TRMC teknikken kan tilbyde et væld af oplysninger om fotoinducerede afgift carrier dynamik, dette er en indirekte måling af ledningsevne, og derfor plejebehov, der skal tages ved fortolkning af resultater. Den TRMC teknik måler total mobilitet, og kan ikke anvendes til at skelne mellem elektron og hole mobiliteter. Den underliggende antagelse, at ledningsevne er proportional til at ændre i reflekteret effekt holder kun, når ændringen er lille (<5%) 16. Desuden, hvis skiftet i resona…
Disclosures
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. |
References
- 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).
