Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

Joanna A. Guse; Timothy W. Jones; Andrew Danos; Dane R. McCamey

doi:10.3791/55232

JoVE Journal > Engineering

Engineering

Rekombinasjon Dynamics i Thin-film Photovoltaic Materialer via Time-løst Mikrobølgeovn konduktivitet

Published: March 06, 2017

doi:

10.3791/55232

Joanna A. Guse², Timothy W. Jones, Andrew Danos, Dane R. McCamey²

¹ARC Centre of Excellence in Exciton Science, ²School of Physics,University of New South Wales, ³CSIRO,CSIRO Energy Centre, ⁴School of Chemistry,University of New South Wales

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 metode for å undersøke rekombinasjon dynamikk foto-indusert ladningsbærere i tynnfilm halvledere, spesielt i fotovoltaiske materialer som organo-bly halogen perovskitter er presentert. Perovskitt filmtykkelse og absorpsjon koeffisient er i utgangspunktet preget av profilometri og UV-VIS absorpsjon spektroskopi. Kalibrering av både lasereffekten og hulrom følsomhet er beskrevet i detalj. En protokoll for å utføre Flash-fotolyse tidsoppløste Mikrobølgeovn Ledningsevne (TRMC) eksperimenter, en ikke-kontaktmetode for bestemmelse av ledningsevnen av et materiale, er presentert. En fremgangsmåte for å identifisere de reelle og imaginære komponenter av den komplekse ledningsevnen ved å utføre TRMC som en funksjon av mikrobølgefrekvens er gitt. Charge bære dynamikk bestemmes under ulike eksitasjon regimer (inkludert både strøm og bølgelengde). Teknikker for å skille mellom direkte og felle-mediert forfall prosesser blir presentert og diskutert.Resultatene er modellert og tolket med henvisning til en generell kinetisk modell av fotoindusert ladningsbærere i en halvleder. Teknikkene som er beskrevet kan anvendes på et bredt spekter av optoelektroniske materialer, blant annet organiske og uorganiske fotoelektriske materialer, nanopartikler, og gjennomfører / halvledende tynne filmer.

Introduction

Flash-fotolyse tids løst mikrobølgeovn konduktivitet (FP-TRMC) overvåker dynamikken i foto spent ladningsbærere på NS-uS tidsskala, noe som gjør det til et ideelt verktøy for å undersøke kostnad bære rekombinasjonsprosesser. Forstå forfallet mekanismene for foto indusert ladningsbærere i tynn film halvledere er av sentral betydning i en rekke applikasjoner, inkludert photovoltaic enhet optimalisering. De induserte bære levetid er ofte funksjoner av indusert transportøren tetthet, eksitasjon bølgelengde, mobilitet, felle tetthet og fangst rate. Denne artikkelen viser allsidigheten Time Løst Mikrobølgeovn konduktivitet (TRMC) teknikk for å undersøke et bredt spekter av bære dynamiske avhengigheter (intensitet, bølgelengde, mikrobølgeovn frekvens) og deres tolkninger.

Fotogenererte kostnader kan endre både den virkelige og imaginære delene av dielektrisitetskonstanten for et materiale som, avhengig av deres mobilitet og degre e av innesperring / lokalisering ^1. Ledningsevnen av et material er proporsjonal med den komplekse dielektrisitetskonstanten

hvor er frekvensen av en mikrobølge elektrisk felt, og er de reelle og imaginære deler av den dielektriske konstant. Dermed er den reelle delen av ledningsevnen relatert til den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten, og kan kartlegges på mikrobølge absorpsjon, mens den imaginære del av ledningsevnen (i det følgende referert til som polarisering) er knyttet til en forskyvning av resonansfrekvensen av mikrobølgeovn felt ^1.

t "> TRMC tilbyr flere fordeler i forhold til andre teknikker. For eksempel, DC Photoconductivity målinger lider av en rekke komplikasjoner som oppstår fra kontakt med materialet med elektrodene. Forbedret rekombinasjon ved elektrode / materialet grensesnitt, tilbake injeksjon av ladninger gjennom dette grensesnittet, såvel som forbedret dissosiasjon av excitons og geminate parene på grunn av den påtrykte spenningen ^to alle føre til skjevheter i de målte bære mobiliteter og levetid. i motsetning til dette er TRMC en elektrodeløs teknikk som måler den indre mobiliteten av bærerne uten forvrengninger som skyldes lade overføring over kontaktene .

En vesentlig fordel med å bruke mikrobølgeeffekt som en sonde for carrier dynamikk er at, i tillegg til overvåking av forfallet levetid på ladningsbærere, forfallet mekanismer / veier kan også bli undersøkt.

TRMC kan brukes til å bestemme det totale mobilitet ³ og livettiden ⁴ av indusert ladningsbærere. Disse parametrene kan deretter brukes til å skille mellom direkte og felle-mediert rekombinasjon mekanismer ^{^3,} ^5. Avhengigheten av disse to separate svekkings trasé kan kvantitativt analyseres som en funksjon av bære tetthet ^{^3,} ⁵ og eksitasjonsenergi / bølgelengde ^5. Lokalisering / innesperring av induserte bærere kan undersøkes ved å sammenligne forfallet av ledningsevne vs polarizability ⁵ (imaginær vs reell del av dielektrisk konstant).

I tillegg, og kanskje viktigst, TRMC kan brukes til å karakterisere felle stater som opptrer som ladningsbærere forfall veier. Overflate feller, for eksempel, kan skilles fra bulk feller ved å sammenligne passivated vs unpassivated prøver ^6. Sub-bandgap stater kanvære direkte undersøkt ved hjelp av sub-bandgap eksitasjon energier ^5. Trap tettheter kan utledes ved å montere TRMC data ^7.

På grunn av allsidigheten av denne teknikken, har TRMC blitt anvendt for å studere et bredt spekter av materialer, inkludert: tradisjonelle tynnfilm halvledere slik som silisium ^{^6,} ⁸ og TiO ₂ ^{^9,} ^_10, nanopartikler ^11, nanorør ^1, organiske halvledere ^12, materialblandinger ^{^13,} ^14, og hybrid fotovoltaiske materialer ^{^3,} ^{^4,} ^5.

For å oppnå kvantitativ informasjon ved hjelp av TRMC, er det viktig å være i stand til å nøyaktig bestemme antallav absorbert fotoner for en gitt optisk eksitasjon. Siden metoder for å kvantifisere absorpsjon av tynne filmer, nanopartikler, løsninger og ugjennomsiktig prøver forskjellig, blir prøveopparbeidelse og kalibrerings teknikkene som presenteres her er utformet spesielt for tynne filmprøver. Imidlertid er TRMC måleprotokollen presentert veldig generelt.

Protocol

1. Prøvepreparering Forsiktig: Noen kjemikalier som brukes i denne protokollen kan være helseskadelig. Ta kontakt med alle relevante sikkerhetsdatablad før noen prøveopparbeidelse foregår. Utnytte egnet personlig verneutstyr (lab strøk, vernebriller, hansker, etc.) og ventilasjonssystemer (f.eks hanskerom, avtrekkshette, etc.) ved håndtering av perovskitt forløpere, og løsemidler. MERK: Hensikten med denne seksjon er å danne en …

Representative Results

De representative resultater som er presentert her ble oppnådd fra en 250 nm CH 3 NH 3 PBI 3 tynn film prøven. Dynamikken i ledningsevne kan relateres til dynamikken i ladningsbærere via <img alt="lign…

Discussion

Mens TRMC teknikken kan tilby et vell av informasjon om fotoindusert kostnad bære dynamikk, er dette en indirekte måling av konduktivitet, og derfor omsorg må tas når man skal tolke resultatene. Den TRMC Teknikken måler total mobilitet, og kan ikke brukes til å skille mellom elektron og hull mobilitet. Den underliggende antagelse at ledningsevnen er proporsjonal endring i reflektert effekt holder bare når det endringen er liten (<5%) ^16. Videre, hvis forskyvning i resonansfrekvens i lø…

Disclosures

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.

References

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

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).