Rekombinationsdynamik in Dünnschicht-Photovoltaik-Materialien über zeitaufgelöste Mikrowellenleitfähigkeit
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
Ein Verfahren zur Rekombination Dynamik der photoinduzierten Ladungsträger in der Dünnschicht-Halbleitern zu untersuchen, insbesondere in der Photovoltaik-Materialien wie Organo-Bleihalogenide Perowskite vorgestellt. Die Perowskit-Schichtdicke und Absorptionskoeffizienten werden zunächst von Profilometrie und UV-VIS-Absorptionsspektroskopie charakterisiert. Kalibrieren von sowohl der Laserleistung und der Hohlraum Empfindlichkeit wird im Detail beschrieben. Ein Protokoll zum Durchführen einer Flash-Photolyse-Time Resolved Mikrowellen Conductivity (TRMC) Experimente, ein berührungsloses Verfahren, die Leitfähigkeit eines Materials zu bestimmen, wird präsentiert. Verfahren zur realen und imaginären Komponenten des komplexen Leitfähigkeit Identifizierung von TRMC als Funktion der Mikrowellenfrequenz durchführt wird, gegeben. Ladungsträgerdynamik unter unterschiedlichen Anregungsregime bestimmt (einschließlich Leistung und Wellenlänge). Techniken für die direkte und Trap-vermittelten Zerfallsprozessen zu unterscheiden werden vorgestellt und diskutiert.Ergebnisse sind modelliert und unter Bezugnahme auf eine allgemeine kinetischen Modell der photoinduzierten Ladungsträger in einem Halbleiter interpretiert. Die beschriebenen Techniken sind auf eine breite Palette von optoelektronischen Materialien, einschließlich organischer und anorganischer Photovoltaik-Materialien, Nanopartikel und leitende / Dünnschichten halb.
Introduction
Blitz Photolyse zeitaufgelöste Mikrowellenleitfähigkeit (FP-TRMC) überwacht Dynamik des photoangeregten Ladungsträger auf der ns-us Zeitplan, es ein ideales Werkzeug für die Untersuchung machen Rekombinationsprozessen Ladungsträger. die Zerfallsmechanismen von photoinduzierten Ladungsträger in der Dünnschicht-Halbleiter zu verstehen, ist von zentraler Bedeutung in einer Reihe von Anwendungen, einschließlich Photovoltaik-Einrichtung Optimierung. Die induzierten Trägerlebensdauern sind oft Funktionen der induzierten Ladungsträgerdichte, Anregungswellenlänge, Mobilität, Fallendichte und -Auffangrate. Dieses Papier zeigt die Vielseitigkeit des Time Resolved Mikrowelle Leitfähigkeit (TRMC) Technik für ein breites Spektrum von Träger dynamischen Abhängigkeiten zu untersuchen (Intensität, Wellenlänge, Mikrowellenfrequenz) und deren Interpretationen.
Photogenerierten Ladungen zu verändern sowohl die realen und die imaginären Teile der Dielektrizitätskonstante eines Materials in Abhängigkeit von ihrer Mobilität und degre e der Entbindung / Lokalisierung 1. Die Leitfähigkeit eines Materials 
ist proportional zu seiner komplexen Dielektrizitätskonstante
woher 
ist die Frequenz eines elektrischen Mikrowellenfeldes, 
und 
sind die Real- und Imaginärteile der Dielektrizitätskonstante. Somit wird der Realteil der Leitfähigkeit der Imaginärteil der Dielektrizitätskonstante bezogen und kann auf Mikrowellenabsorption abgebildet werden, während der Imaginärteil der Leitfähigkeit (nachfolgend bezeichnet als Polarisations) zu einer Verschiebung in der Resonanzfrequenz in Beziehung steht des Mikrowellenfeldes 1.
Ein wesentlicher Vorteil der Mikrowellenleistung als Sonde für die Ladungsträgerdynamik besteht darin, dass, wie auch die Zerfalls Lebensdauer der Ladungsträger Überwachung, Verfall Mechanismen / Wege auch untersucht werden können.
TRMC kann die gesamte Mobilität 3 und das Leben zu bestimmen , verwendet werden ,Zeit 4 von induzierten Ladungsträger. Diese Parameter können anschließend verwendet werden , um zwischen direkten und trap-vermittelte Rekombination Mechanismen 3, 5 zu unterscheiden. Die Abhängigkeit dieser beiden getrennten Zerfallswege kann quantitativ als Funktion der Trägerdichte 3, 5 und Anregungsenergie / Wellenlänge 5 analysiert werden. Die Lokalisierung / Confinement induzierter Träger kann durch Vergleich des Zerfalls der Leitfähigkeit vs Polarisierbarkeit 5 (imaginärer vs Realteil der Dielektrizitätskonstanten) untersucht werden.
Darüber hinaus und vielleicht am wichtigsten ist, können TRMC verwendet werden Trap-Staaten zu charakterisieren, die als Ladungsträger Zerfallswege wirken. Oberflächenfallen, beispielsweise durch einen Vergleich 6 vs unpassivierten Proben passiviert von bulk Fallen unterscheiden. Sub-Bandgap-Staaten könnendirekt 5 Anregung Unter Bandgap Energien untersucht werden. Trap – Dichten können durch den Einbau TRMC Daten 7 abgeleitet werden.
2 herkömmliche Dünnfilm – Halbleitern wie Silizium 6, 8 und TiO 9, 10, Nanopartikel 11, 1, Nanoröhrchen organische Halbleiter 12, Materialmischungen: Aufgrund der Vielseitigkeit dieser Technik wurde TRMC eine Vielzahl von Materialien , einschließlich studieren angewendet 13, 14, und Hybrid photovoltaischen Materialien 3, 4, 5.
Um quantitative Informationen unter Verwendung TRMC zu erhalten, ist es von entscheidender Bedeutung zu können genau die Nummer zu bestimmen,der absorbierten Photonen für eine gegebene optische Anregung. Da Verfahren zur von dünnen Filmen, Nanopartikel, Lösungen und opaken Proben unterscheiden, die Probenvorbereitung und Kalibrierungstechniken hier vorgestellt werden speziell für Dünnfilmproben quantifizieren Absorption. Allerdings stellte das TRMC Messprotokoll ist sehr allgemein gehalten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Während die TRMC-Technik eine Fülle von Informationen über photoinduzierten Ladungsträgerdynamik bieten können, ist dies eine indirekte Messung von Leitfähigkeit und Pflege deshalb getragen werden muss, wenn die Ergebnisse zu interpretieren. Die TRMC-Technik misst totale Mobilität, und nicht verwendet werden kann zwischen Elektron und Loch Mobilitäten zu unterscheiden. Die zugrunde liegende Annahme , dass die Leitfähigkeit proportional ist in der reflektierten Leistung zu ändern , hält nur dann , wenn diese ?…
Declarações
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. |
Referências
- 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).
