Summary

Rekombination Dynamics i Tunnfilms solceller material via tidsupplöst Microwave Konduktivitet

Published: March 06, 2017
doi:

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

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.

Introduction

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 Ekvation är proportionell mot dess komplex dielektricitetskonstant

Ekvation

var Ekvation är frekvensen hos en mikrovågsugn elektriskt fält, Ekvation och Ekvation 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.

Protocol

1. Provframställning Varning: Vissa kemikalier som används i detta protokoll kan vara hälsofarliga. Kontakta alla relevanta säkerhetsdatablad innan provberedning sker. Utnyttja lämplig personlig skyddsutrustning (rockar, skyddsglasögon, handskar, etc.) och tekniska kontroller (t.ex. handskfack, dragskåp mm) vid hantering av perovskit prekursorer och lösningsmedel. NOTERA: Syftet med detta avsnitt är att bilda en enhetlig tjocklek…

Representative Results

De representativa resultat som presenteras här erhölls från en 250 nm CH 3 NH 3 PBI tre tunnfilmsprov. Dynamiken i konduktiviteten kan relateras till dynamiken i laddningsbärarna via <img alt="Ekvat…

Discussion

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%)

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&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.

Referências

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
check_url/pt/55232?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
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).

View Video