Recombinação Dynamics em Thin-film materiais fotovoltaicos via Condutividade Microondas resolvida no tempo
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
Um método para a investigação dinâmica de recombinação de portadores de carga foto-induzidas em semicondutores de película fina, especificamente em materiais fotovoltaicos perovskitas como halogeneto de organo-chumbo é apresentada. A espessura da película perovskita e coeficiente de absorção são inicialmente caracterizada por perfilometria e espectroscopia de absorção UV-VIS. A calibração de sensibilidade, tanto a potência do laser e da cavidade está descrito em detalhe. Um protocolo para a realização de experiências de flash-fotólise resolvida no tempo Condutividade Microondas (TRMC), um método não-contacto de determinar a condutividade de um material, é apresentada. Um processo para identificar os componentes reais e imaginários do complexo através da realização de condutividade TRMC como uma função da frequência de microondas é dada. dinâmica de portadores de carga são determinadas sob diferentes regimes de excitação (incluindo alimentação e comprimento de onda). Técnicas para distinguir entre processos de deterioração diretos e mediada por armadilha são apresentados e discutidos.Os resultados são modeladas e interpretados com referência a um modelo de cinética geral de portadores de carga fotoinduzida em um semicondutor. As técnicas descritas são aplicáveis a uma ampla gama de materiais, incluindo materiais optoelectrónicos fotovoltaicas orgânicas e inorgânicas, nanopartículas, e realizando / semicondutor filmes finos.
Introduction
Flash-fotólise condutividade microondas resolvida no tempo (FP-TRMC) monitora a dinâmica de portadores de carga foto-animado na escala de tempo ns-microsiemens, tornando-o uma ferramenta ideal para a investigação de processos de recombinação transportadora de carga. Compreender os mecanismos de degradação de portadores de carga foto-induzidas em semicondutores de película fina é de uma importância fundamental em uma variedade de aplicações, incluindo a optimização do dispositivo fotovoltaico. As vidas transportadora induzidas são muitas vezes funções de densidade induzida transportadora, comprimento de onda de excitação, a mobilidade, a densidade armadilha e taxa de aprisionamento. Este trabalho demonstra a versatilidade da técnica de tempo resolvido Microondas Condutividade (TRMC) para investigar uma ampla gama de dependências transportadora dinâmicas (intensidade, comprimento de onda, freqüência de microondas) e suas interpretações.
cargas fotogeradas pode modificar tanto o real e as partes imaginária da constante dieléctrica de um material, de acordo com a sua mobilidade e Degre e de confinamento / localização 1. A condutividade de um material 
é proporcional à sua constante dieléctrica complexa
Onde 
é a frequência de um campo elétrico microondas, 
e 
são as partes real e imaginária da constante dieléctrica. Assim, a parte real da condutividade está relacionada com a parte imaginária da constante dieléctrica, e podem ser mapeados para a absorção de micro-ondas, ao passo que a parte imaginária da condutividade (posteriormente referida como a polarização) está relacionada com uma mudança na frequência de ressonância do campo de microondas 1.
Uma vantagem significativa da utilização de energia de microondas como uma sonda para a dinâmica transportadora é que, assim como monitorar o tempo de vida de decaimento de portadores de carga, mecanismos de degradação / vias também pode ser investigada.
TRMC pode ser utilizado para determinar a vida total de mobilidade e 3Time 4 de portadores de carga induzidas. Estes parâmetros podem ser subsequentemente utilizada para distinguir entre os mecanismos de recombinação directas e mediadas por armadilha 3, 5. A dependência destas duas vias separadas de decaimento pode ser quantitativamente analisada como uma função de densidade de portadores 3, 5 e energia de excitação / 5 comprimento de onda. A localização / confinamento de portadores induzidas pode ser investigado, comparando o decaimento da condutividade vs polarizability 5 (imaginário vs parte real da constante dielétrica).
Além disso, e talvez mais importante, TRMC pode ser utilizado para caracterizar estados de armadilhas que actuam como vias de decaimento dos transportadores de carga. Armadilhas de superfície, por exemplo, pode ser distinguido de armadilhas em massa, comparando amostras vs passivado unpassivated 6. estados Sub-bandgap podeser directamente investigada utilizando sub-bandgap excitação energias 5. Densidades armadilha pode ser deduzido pelo ajuste dos dados TRMC 7.
Devido à versatilidade desta técnica, TRMC foi aplicada ao estudo de uma ampla gama de materiais, incluindo: semicondutores de película fina tradicionais, tais como silício 6, 8 e TiO 2 9, 10, as nanopartículas 11, nanotubos de 1, semicondutores orgânicos 12, misturas de materiais 13, 14 e fotovoltaicos híbrido materiais 3, 4, 5.
A fim de obter informação quantitativa usando TRMC, é essencial ser capaz de determinar com precisão o númerode absorção de fótons para um determinado excitação óptica. Desde métodos para quantificar a absorção de filmes finos, nanopartículas, soluções e amostras opacas diferem, a preparação e calibração técnicas de exemplo apresentados aqui são projetados especificamente para as amostras de película fina. No entanto, o protocolo de medição TRMC apresentado é muito geral.
Protocol
Representative Results
Discussion
Embora a técnica TRMC pode oferecer uma riqueza de informações sobre a dinâmica dos transportadores de carga fotoinduzidos, esta é uma medida indireta da condutividade, e, portanto, cuidado deve ser tomado na interpretação dos resultados. A técnica mede TRMC total mobilidade, e não pode ser usado para distinguir entre electrões e mobilidades furo. O pressuposto subjacente que a condutividade é proporcional à mudança na potência refletida detém apenas quando essa mudança é pequena (<5%) <sup class="xr…
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. |
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