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.

공학

時間分解マイクロ波伝導を介して、薄膜太陽電池材料での再結合ダイナミクス

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

具体的には、有機鉛ハライドペロブスカイトなどの光起電材料中の薄膜半導体の光誘起電荷キャリアの再結合動態を調査するための方法が提供されます。ペロブスカイト膜厚と吸収係数は、最初プロフィロメトリーおよびUV-VIS吸収スペクトルにより特徴づけられます。レーザパワーとキャビティ両方感度の校正について詳細に説明します。フラッシュ光分解時間分解マイクロ波伝導（TRMC）実験を行うためのプロトコルは、材料の導電率を決定するための非接触方法が、提供されます。マイクロ波周波数の関数としてTRMCを行うことにより、複雑な導電性の実数成分と虚数成分を同定するための方法が与えられます。電荷キャリアダイナミクス（パワーと波長の両方を含む）異なる励起レジームの下で決定されます。直接およびトラップ媒介崩壊過程とを区別するための技術が提示し、議論されています。結果は、半導体における光誘起電荷キャリアの一般的な動力学モデルを用いてモデル化し、解釈されます。記載された技術は、有機および無機光起電材料は、ナノ粒子を含む光電子材料の広い範囲に適用可能であり、薄膜半導体/伝導します。

Introduction

フラッシュ光分解時間分解マイクロ波伝導度（FP-TRMC）は電荷キャリアの再結合過程を調査するための理想的なツール作り、NS-μsの時間スケールで、光励起電荷キャリアのダイナミクスを監視します。薄膜半導体に光誘起電荷キャリアの崩壊メカニズムを理解することは、光起電力素子の最適化などのアプリケーションの範囲内で極めて重要です。誘導されたキャリアの寿命は、多くの場合、誘導されたキャリア密度、励起波長、モビリティ、トラップ密度とトラップ率の関数です。本稿では、キャリアの動的依存性（強度、波長、マイクロ波周波数）とその解釈の広い範囲を調査するための時間分解マイクロ波伝導度（TRMC）技術の汎用性を示しています。

光電荷は、その機動性とdegreに応じて、材料の誘電率の実部と虚部の両方に変更することができます閉じ込め/ローカライゼーション¹の電子。材料の導電率その複素誘電率に比例し、

どこマイクロ波電界の周波数は、そして誘電率の実部と虚部です。したがって、導電率の実部は、誘電率の虚部に関連して、導電率の虚数部が（その後の偏光と呼ばれる）の共振周波数のシフトに関係している間に、マイクロ波吸収にマッピングすることができますマイクロ波場¹の。

tは "> TRMCは、他の技術に比べていくつかの利点を提供しています。例えば、直流光伝導測定は、電極の材料を接触させることに起因する合併症の範囲に悩まされている。電極/材料界面で強化された組換えを、バックこのインタフェースを介して電荷の注入を、同様に測定されたキャリア移動度と寿命の歪みに励起子と印加電圧²によるジェミネートペアの解離にすべてのリードを強化した。対照的に、TRMCは接点間の電荷移動に起因する歪みなしでキャリアの固有の移動度を測定する無電極技術であり、。

キャリアダイナミクスのためのプローブとして、マイクロ波電力を使用することの重要な利点は、減衰機構/経路も調査することができる、ということだけでなく、電荷キャリアの減衰寿命を監視しています。

TRMC総モビリティ³及び寿命を決定するために使用することができます誘導電荷キャリアの時間^4。これらのパラメータは、その後直接トラップ媒介組換え機構^{^{^3,5}}を区別するために使用することができます。これら二つの別々の減衰経路の依存性を定量的にキャリア密度^{^{^3,5}}及び励起エネルギー/波長⁵の関数として分析することができます。誘導されたキャリアの局在/閉じ込めは分極^5（誘電率の実部対虚）対伝導率の減衰を比較することによって調べることができます。

さらに、おそらく最も重要なのは、TRMCは電荷キャリア崩壊経路として作用トラップ状態を特徴付けるために使用することができます。表面トラップは、例えば、非不動態化サンプル⁶対不動態比較することにより、バルクのトラップと区別することができます。サブバンドギャップの状態ことができます直接サブバンドギャップ励起エネルギー^5を用いて調べてもよいです。トラップ密度をTRMCデータ^7を当てはめることによって推定することができます。

このようなケイ素^{^{^6,8}}及びTiO ₂の^{^{^9、10}}のような従来の薄膜半導体^_、11ナノ粒子、ナノチューブ^1、有機半導体^12、素材ブレンド：この技術の汎用性、TRMCを含む広範囲の材料を研究するために適用されている原因^{^{^13、14、}}及びハイブリッド光起電材料^{^{^{^{^3、4、5。}}}}

TRMCを用いて定量的情報を得るためには、正確な数を決定できることが重要です所与の光学的励起のための光子を吸収しました。薄膜の吸収を定量するための方法ので、ナノ粒子、溶液および不透明なサンプルが異なるため、ここに提示試料調製および較正技術は、特に、薄膜試料のために設計されています。しかし、提示されTRMC測定プロトコルは非常に一般的です。

Protocol

1.試料の調製注意：このプロトコルで使用されている一部の化学物質が健康に有害であることができます。任意のサンプル調製が行われる前に、関連するすべての物質安全データシートを参照してください。適切な個人保護具（白衣、安全メガネ、手袋等）およびエンジニアリング・コントロール（例えばグローブボックス、ヒュームフードなど）?…

Representative Results

ここに提示代表的な結果は、250nmでのCH 3 NH 3 PBI 3薄膜試料から得ました。導電性のダイナミクス電荷キャリアのダイナミクスに関連することができますビア<p class="jove_content" fo:keep-together.within-pag…

Discussion

TRMC技術は、光誘起電荷キャリアダイナミクスに関する豊富な情報を提供することができますが、これは導電性の間接的な測定であるため、結果を解釈する際に注意する必要があるが気になります。 TRMC技術は、全移動度を測定し、電子と正孔移動度を区別するために使用することができません。導電率は、反射電力の変化に比例することが基本となる仮定は、変化が小さい^（&lt…

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&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.

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

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).