Рекомбинация Динамика в тонкопленочных фотоэлектрических материалов с помощью времяразрешенные СВЧ проводимости
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
Метод для исследования динамики рекомбинации фотоиндуцированных носителей заряда в тонких полупроводниковых пленок, в частности в фотогальванических материалов, таких как органо-свинцово-галоидных перовскитов представлен. Перовскита толщина пленки и коэффициент поглощения первоначально характеризуется профилометрией и UV-VIS-абсорбционной спектроскопии. Калибровка и мощности лазерного излучения и резонатора чувствительность описана подробно. Протокол для выполнения флэш-фотолиза Время экспериментов Решенный СВЧ проводимости (TRMC), метод бесконтактного определения проводимости материала, представлен. Способ идентификации действительных и мнимых компонентов комплексной проводимости путем выполнения TRMC в зависимости от частоты СВЧ дается. динамика носителей заряда определяются при различных режимах возбуждения (в том числе как мощности и длины волны). Методы разграничения между прямыми и улавливать опосредованной процессов распада представлены и обсуждены.Результаты моделируются и интерпретируются со ссылкой на общей кинетической модели фотоиндуцированных носителей заряда в полупроводнике. Методики, описанные применимы к широкому спектру оптоэлектронных материалов, в том числе органические и неорганические фотогальванических материалов, наночастиц, а также проведение / полупроводящего тонких пленок.
Introduction
Флэш-фотолиз с временным разрешением СВЧ проводимости (FP-TRMC) отслеживает динамику фотовозбужденных носителей заряда на нс-мкс масштабе времени, что делает его идеальным инструментом для исследования процессов рекомбинации носителей заряда. Понимание механизмов распада фотоиндуцированных носителей заряда в тонких полупроводниковых пленок имеет ключевое значение в ряде приложений, включая оптимизацию фотоэлектрического устройства. Индуцированные времена жизни носителей зачастую являются функциями от наведенной плотности носителей, длины волны возбуждения, подвижности, плотности ловушек и скорость захвата. Эта статья демонстрирует универсальность техники Time Resolved СВЧ проводимости (TRMC) для исследования широкого спектра носителей динамических зависимостей (интенсивность, длина волны, СВЧ) и их интерпретации.
Фотогенерированных заряды могут изменить как для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости материала, в зависимости от их мобильности и degre е удержания / локализации 1. Проводимость материала 
пропорциональна его комплексной диэлектрической проницаемости
где 
частота электрического поля СВЧ, 
а также 
действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости. Таким образом, реальная часть проводимости связана с мнимой частью диэлектрической проницаемости, и могут быть отображены на СВЧ поглощения, а мнимая часть проводимости (в дальнейшем именуемой поляризации) связано с переходом в резонансной частоте СВЧ поля 1.
Существенным преимуществом использования микроволновой мощности в качестве зонда для динамики носителей является то, что, а также наблюдение за время жизни распада носителей заряда, механизмов распада / пути могут также быть исследованы.
TRMC могут быть использованы для определения общей подвижности 3 и жизнь4 Время индуцированных носителей заряда. Эти параметры могут быть затем использованы для различения между прямыми и TRAP-опосредованной механизмов рекомбинации 3, 5. Зависимость этих двух отдельных путей распада могут быть количественно проанализированы в зависимости от концентрации носителей 3, 5 и энергии возбуждения / длина волны 5. Локализация / удержание индуцированных носителей может быть исследована путем сравнения распад проводимости против поляризуемости 5 (воображаемой против действительной части диэлектрической проницаемости).
Кроме того, и, возможно, самое главное, TRMC могут быть использованы для характеристики состояния ловушки, которые действуют как пути распада носителей заряда. Поверхностные ловушки, например, можно отличить от объемных ловушек путем сравнения хроматированные против непассивированных образцов 6. Sub зонный состояний можетбыть непосредственно исследованы с помощью энергии возбуждения к югу от ширины запрещенной зоны 5. Плотность ловушек может быть выведена путем подгонки данных TRMC 7.
Благодаря универсальности этой техники, TRMC был применен для изучения широкого спектра материалов , в том числе: традиционные тонких полупроводниковых пленок , таких как кремний 6, 8 и TiO 2 9, 10, наночастицы 11, нанотрубками 1, органические полупроводники 12, материал смеси 13, 14, и гибридные фотогальванические материалы 3, 4, 5.
Для того, чтобы получить количественную информацию, используя TRMC, крайне важно, чтобы иметь возможность точно определить количествопоглощенных фотонов для данного оптического возбуждения. Поскольку методы количественной оценки поглощения тонких пленок, наночастиц, растворов и непрозрачных образцов различаются, методы подготовки и калибровки образца, представленные здесь, предназначены специально для тонких пленочных образцов. Тем не менее, протокол измерения TRMC представлены носит весьма общий характер.
Protocol
Representative Results
Discussion
В то время как метод TRMC может предложить огромное количество информации о фотоиндуцированными динамики носителей заряда, это косвенное измерение проводимости, и, следовательно, все равно должны быть приняты при интерпретации результатов. Методика TRMC измеряет общую подвижность, и не м…
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).
