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.
En metod för att undersöka rekombination dynamik fotoinducerad laddningsbärare i tunnfilmshalvledare, särskilt i solceller material såsom organo-bly halogenlampor perovskiter presenteras. Perovskit skikttjocklek och absorptionskoefficienten inledningsvis kännetecknas av profilometri och UV-VIS absorptionsspektroskopi. Kalibrering av både lasereffekt och kavitet känslighet beskrivs i detalj. Ett protokoll för att utföra Flash-fotolys tidsupplöst Mikrovågsugn Konduktivitet (TRMC) experiment, en beröringsfri metod för att bestämma ledningsförmågan hos ett material, presenteras. En process för att identifiera de reella och imaginära komponenterna av den komplexa ledningsförmågan genom att utföra TRMC som en funktion av mikrovågsfrekvens ges. Laddningsbärarkoncentrationer dynamik bestäms under olika excitation regimer (inklusive både kraft och våglängd). Tekniker för att skilja mellan direkta och fälla medierad nedbrytningsprocessen presenteras och diskuteras.Resultat modelleras och tolkas med hänvisning till en allmän kinetisk modell av fotoinducerade laddningsbärare i en halvledare. De tekniker som beskrivs är tillämpliga för ett brett spektrum av optoelektroniska material, inklusive organiska och oorganiska solceller material, nanopartiklar, och genomförande / halvledande tunna filmer.
Flash-fotolys tidsupplöst mikrovågsugn ledningsförmåga (FP-TRMC) övervakar dynamik fotoexciterade laddningsbärare på NS-ìS tidsperiod, vilket gör det till ett idealiskt verktyg för att undersöka laddningsbärarkoncentrationer rekombination processer. Förstå sönderfallsmekanismer fotoinducerad laddningsbärare i tunnfilms halvledare är av central betydelse för en rad olika tillämpningar, inklusive fotogalvaniska anordningen optimering. De inducerade bärare livslängd är ofta funktioner av inducerad bärare densitet, excitationsvåglängd, rörlighet, fälla densitet och fånga takt. Detta dokument visar mångsidigheten hos tidsupplöst Microwave Ledning (TRMC) teknik för att undersöka ett brett spektrum av bärare dynamiska beroenden (intensitet, våglängd, mikrovågsugn frekvens) och deras tolkningar.
Fotogenererade laddningar kan ändra både den verkliga och imaginära delarna av den dielektriska konstanten hos ett material, beroende på deras rörlighet och Degre e av instängdhet / lokalisering 1. Konduktiviteten hos ett material är proportionell mot dess komplex dielektricitetskonstant
var är frekvensen hos en mikrovågsugn elektriskt fält, och är de verkliga och imaginära delarna av den dielektriska konstanten. Således är den reella delen av konduktiviteten relaterad till den imaginära delen av den dielektriska konstanten, och kan avbildas på mikrovågsabsorption, medan den imaginära delen av konduktivitet (nedan kallad polarisation) är relaterad till ett skift i resonansfrekvensen av mikrovågsfältet en.
t "> TRMC erbjuder flera fördelar jämfört med andra tekniker. Till exempel, DC photoconductivity mätningar lider av en rad komplikationer till följd av kontakt med material med elektroder. Förbättrad rekombination vid elektroden / material gränssnitt tillbaka injektion av avgifter via detta gränssnitt, samt som förbättrad dissociation av excitoner och ORDNA pARVIS par på grund av den pålagda spänningen 2 alla leder till en snedvridning av de uppmätta bärare rörligheter och livslängd. däremot är TRMC en elektrodlös teknik som mäter den inneboende rörlighet av bärarna utan snedvridningar på grund av laddningsöverföring över kontakter .En betydande fördel med att använda mikrovågseffekten som en sond för bärare dynamik är att, liksom övervakning av sönderfalls livstid laddningsbärare, sönderfallsmekanismer / vägar kan också undersökas.
TRMC kan användas för att bestämma den totala rörlighet 3 och livettid 4 inducerade laddningsbärare. Dessa parametrar kan sedan användas för att skilja mellan direkta och fälla-medierad rekombination mekanismer 3, 5. Beroendet av dessa två separata sönderfallsvägar kvantitativt kan analyseras som en funktion av bärardensitet 3, 5 och excitationsenergi / våglängd 5. Lokaliseringen / inneslutning av inducerade bärare kan undersökas genom att jämföra sönderfallet av konduktiviteten vs polariserbarheten 5 (imaginär vs realdelen av den dielektriska konstanten).
Dessutom, och kanske viktigast av allt, TRMC kan användas för att karakterisera fälla stater som fungerar som laddnings bärare sönderfallsvägar. Surface fällor, till exempel, kan skiljas från bulk fällor genom att jämföra passive vs opassiverad prov 6. Sub-bandgap tillstånd kanundersökas direkt med hjälp av sub-bandgap exciteringsenergier 5. Trap densiteter kan härledas genom att montera TRMC uppgifter 7.
På grund av mångsidigheten hos denna teknik, har TRMC tillämpats att studera ett brett spektrum av material inklusive: traditionella tunnfilms halvledare såsom kisel 6, 8 och TiO 2 9, 10, nanopartiklar 11, nanorör 1, organiska halvledare 12, materialblandningar 13, 14, och hybrid solceller material 3, 4, 5.
För att erhålla kvantitativ information med hjälp av TRMC, är det viktigt att kunna exakt fastställa antaletav absorberad fotoner för en given optisk excitation. Eftersom metoder för att kvantifiera absorption av tunna filmer, nanopartiklar, lösningar och ogenomskinliga prov skiljer sig, är provberedningen och kalibrerings tekniker som presenteras här som utformats speciellt för tunnfilmsprover. Dock är TRMC mätprotokoll presenteras mycket stort.
Medan TRMC teknik kan erbjuda en mängd information om fotoinducerade laddningsbärarkoncentrationer dynamik, är detta ett indirekt mått på ledningsförmågan, och bryr sig därför måste tas vid tolkning av resultaten. Den TRMC teknik mäter total rörlighet, och kan inte användas för att skilja mellan elektron och hål rörligheter. Det underliggande antagandet att ledningsförmågan är proportionell mot förändringar i reflekterad effekt innehåller endast när ändringen är liten (<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. |