Name: 通过时间分辨微波电导率重组动力学薄膜光伏材料 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 30 s
Description: 了解时间分辨微波电导率(TRMC)技术用于研究薄膜光伏材料中的光生载流子复合动力学。该方法无需电极接触即可测量载流子寿命、迁移率和陷阱密度，适用于钙钛矿等光电材料。

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感谢澳大利亚研究理事会（LE130100146，DP160103008）的支持。JAG 获得澳大利亚研究生奖学金资助，DRM 获得澳大利亚研究理事会未来学者项目（FT130100214）资助。我们感谢 Nikos Kopidakis 提供有益的讨论。

<ol><li>Park, J., Reid, O. G., Blackburn, J. L., Rumbles, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoinduced+spontaneous+free-carrier+generation+in+semiconducting+single-walled+carbon+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Comm%22%5BJournal%5D)">Photoinduced spontaneous free-carrier generation in semiconducting single-walled carbon nanotubes.</a> Nat. Comm. 6 (8809), (2015).</li>
<li>Dicker, G., de Haas, M. P., Siebbeles, L. D., Warman, J. M. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.70.045203">Electrodeless time-resolved microwave conductivity study of charge-carrier photogeneration in regioregular poly (3-hexylthiophene) thin films.</a> Phys. Rev. B. 70 (4), 045203(2004).</li>
<li>Oga, H., Saeki, A., Ogomi, Y., Hayase, S., Seki, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+understanding+of+the+electronic+and+energetic+landscapes+of+perovskite+solar+cells%3A+high+local+charge+carrier+mobility%2C+reduced+recombination%2C+and+extremely+shallow+traps%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Improved understanding of the electronic and energetic landscapes of perovskite solar cells: high local charge carrier mobility, reduced recombination, and extremely shallow traps.</a> J. Am. Chem. Soc. 136 (39), 13818-13825 (2014).</li>
<li>Ponseca, C. S. Jr, et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organometal+halide+perovskite+solar+cell+materials+rationalized%3A+ultrafast+charge+generation%2C+high+and+microsecond-long+balanced+mobilities%2C+and+slow+recombination%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Organometal halide perovskite solar cell materials rationalized: ultrafast charge generation, high and microsecond-long balanced mobilities, and slow recombination.</a> J. Am. Chem. Soc. 136 (14), 5189-5192 (2014).</li>
<li>Guse, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+dependence+of+direct+and+trap-mediated+recombination+processes+in+lead+halide+perovskites+using+time+resolved+microwave+conductivity%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Spectral dependence of direct and trap-mediated recombination processes in lead halide perovskites using time resolved microwave conductivity.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 12043-12049 (2016).</li>
<li>Kunst, M., Abdallah, O., Wünsch, F. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024801001817">Passivation of silicon by silicon nitride films.</a> Solar energy materials and solar cells. 72 (1-4), 335-341 (2002).</li>
<li>Hutter, E. M., Eperon, G. E., Stranks, S. D., Savenije, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Charge+Carriers+in+Planar+and+Meso-Structured+Organic-Inorganic+Perovskites%3A+Mobilities%2C+Lifetimes+and+Concentrations+of+Trap+States%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+Lett%22%5BJournal%5D)">Charge Carriers in Planar and Meso-Structured Organic-Inorganic Perovskites: Mobilities, Lifetimes and Concentrations of Trap States.</a> J. Phys. Chem. Lett. 6 (15), 3082-3090 (2015).</li>
<li>Cosme, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024814005509">Lifetime assessment in crystalline silicon: From nanopatterned wafer to ultra-thin crystalline films for solar cells.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 135, 93-98 (2015).</li>
<li>Katoh, R., Furube, A., Yamanaka, K. I., Morikawa, T. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jz1011548">Charge separation and trapping in N-doped TiO2 photocatalysts: A time-resolved microwave conductivity study.</a> J. Phys. Chem. Lett. 1 (22), 3261-3265 (2010).</li>
<li>Colbeau-Justin, C., Valenzuela, M. A. <a target="_blank" href="http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=57027860002">Time-resolved microwave conductivity (TRMC) a useful characterization tool for charge carrier transfer in photocatalysis: a short review.</a> Revista mexicana de física. 59 (3), 191-200 (2013).</li>
<li>Luna, A. L., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/297442043_Synergetic_Effect_of_Ni_and_Au_Nanoparticles_Synthesized_on_Titania_Particles_for_Efficient_Photocatalytic_Hydrogen_Production">Synergetic effect of Ni and Au nanoparticles synthesized on titania particles for efficient photocatalytic hydrogen production.</a> Applied Catalysis B: Environmental. 191, 18-28 (2016).</li>
<li>Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Shaheen, S. E., Rumbles, G. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp7113412">Quenching of excitons by holes in poly (3-hexylthiophene) films.</a> J. Phys. Chem. C. 112 (26), 9865-9871 (2008).</li>
<li>Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Shaheen, S. E., Rumbles, G. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp208014v">Dark carriers, trapping, and activation control of carrier recombination in neat P3HT and P3HT: PCBM blends.</a> J. Phys. Chem. C. 115 (46), 23134-23148 (2011).</li>
<li>Savenije, T. J., Ferguson, A. J., Kopidakis, N., Rumbles, G. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp406706u">Revealing the Dynamics of Charge Carriers in Polymer:fullerene Blends Using Photoinduced Time-Resolved Microwave Conductivity.</a> J. Phys. Chem. C. 117 (46), 24085-24103 (2013).</li>
<li>Xiao, Z., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c4ee01138d">Efficient, high yield perovskite photovoltaic devices grown by interdiffusion of solution-processed precursor stacking layers.</a> Energy Environ. Sci. 7 (8), 2619-2623 (2014).</li>
<li>Infelta, P. P., De Haas, M. P., Warman, J. M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0146572477900449">The study of the transient conductivity of pulse irradiated dielectric liquids on a nanosecond timescale using microwaves.</a> Radiat. Phys. Chem. 10 (5-6), 353-365 (1977).</li>
<li>Saeki, A., Seki, S., Sunagawa, T., Ushida, K., Tagawa, S. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/14786430500380159">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).</a> Philosophical Magazine. 86 (9), 1261-1276 (2006).</li>
<li>Choi, W., Miyakai, T., Sakurai, T., Saeki, A., Yokoyama, M., Seki, S. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4891052">Non-contact, non-destructive, quantitative probing of interfacial trap sites for charge carrier transport at semiconductor-insulator boundary.</a> Appl. Phys. Lett. 105 (3), 033302(2014).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

尽管瞬态微波电导（TRMC）技术能够提供有关光生载流子动力学的丰富信息，但该方法是对电导率的间接测量，因此在解释结果时需格外谨慎。TRMC技术测量的是总迁移率，无法用于区分电子与空穴的迁移率。其基本假设是电导率与反射功率的变化量成正比，但该假设仅在变化量较小（< 5%）时成立16。此外，若在衰减过程中共振频率的偏移较大，则必须先将总（复数）电导率分解为实部和虚部，才能对数据进行分析。TRMC技术对介电常数虚部的变化敏感，而该变化的来源不仅可能包括电导率，还可能包含由偶极子重取向引起的介电损耗。该技术无法区分这两种机制，本文中我们假设电导率是介电常数虚部的主要贡献因素，这一假设对于晶体材料是合理的，但对于溶液中的样品可能不成立。
为了获得绝对测量值而非相对测量值，TRMC 技术需要进行 extensive 校准。特别是，必须对光学装置进行校准以确定吸收光子数与入射光子数之比，这是获得准确迁移率的关键。原则上，可以对液体或粉末样品使用定量 TRMC；然而，准确表征这些样品的光吸收特性可能较为困难。
<p class="jove_c...

闪光光解时间分辨微波电导（FP-TRMC）可监测纳秒级光激发载流子的动力学行为µs 时间尺度，使其成为研究载流子复合过程的理想工具。理解薄膜半导体中光生载流子的衰减机制，对于包括光伏器件优化在内的多种应用具有重要意义。载流子寿命通常取决于光生载流子密度、激发波长、迁移率、陷阱密度及捕获速率等因素。本文展示了时间分辨微波电导（TRMC）技术在研究多种载流子动力学依赖性（如光强、波长、微波频率）及其解释方面的广泛适用性。
光生载流子可以改变材料介电常数的实部和虚部，具体影响取决于载流子的迁移率及其受限或局域化的程度1。材料的电导率 <img alt="静态平衡，σ，方程，物理概念，公式，教育，矢量和，平衡分析" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程"> 与其复介电常数成正比
<img alt="电导率方程，σ=ε₀ω(iε' + ε'')，用于介电材料分析的示意图。" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程">
其中 <img alt="角频率符号 ω，用于方程和公式中，对物理教学具有重要意义。" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程"> 是微波电场的频率， <img alt="静态平衡，ε′ 符号，表示材料科学方程中的介电常数概念。" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程"> 和 <img alt="静态平衡方程和材料分析图中使用的介电常数符号（ε&#x27;&#x27;）。" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程"> 介电常数的实部和虚部分别对应其真实和虚幻部分。因此，电导率的实部与介电常数的虚部相关，并可映射到微波吸收；而电导率的虚部（后文称为极化）则与微波场共振频率的偏移相关1.
瞬态微波电导（TRMC）技术相较于其他方法具有多项优势。例如，直流光电导测量会因材料与电极的接触而引发一系列复杂问题。电极/材料界面处的载流子复合增强、通过该界面的电荷反向注入，以及外加电压导致激子和孪生电子对的解离加剧2，均会导致测得的载流子迁移率和寿命出现失真。相比之下，TRMC是一种无电极技术，可测量载流子的本征迁移率，避免了因电荷在接触界面间转移而引起的测量失真。
利用微波功率作为载流子动力学探测手段的一个显著优势在于，不仅可以监测载流子的衰减寿命，还能研究其衰减机制和途径。
瞬态反射微波电导（TRMC）可用于测定光生载流子的总迁移率3和寿命4。这些参数随后可用于区分直接复合与陷阱介导的复合机制3,5。这两种不同衰减途径的依赖关系可作为载流子密度3,5和激发能量/波长5的函数进行定量分析。通过比较电导率与极化率的衰减行为5（介电常数的虚部与实部），可研究光生载流子的局域化/束缚特性。
此外，也许最重要的是，瞬态反射微波电导（TRMC）可用于表征作为载流子衰减途径的陷阱态。例如，通过比较经过表面钝化与未钝化的样品，可以区分表面陷阱与体相陷阱6。可利用低于带隙的激发能量直接研究带隙下的亚带隙态5。通过拟合TRMC数据可推导出陷阱态密度7。
由于该技术具有多功能性，瞬态反射微波电导（TRMC）已被应用于研究多种材料，包括：硅6,8和TiO29,10, 纳米颗粒11、纳米管1、有机半导体12、材料共混物13,14以及杂化光伏材料3,4,5。
为了使用瞬态微波电导（TRMC）获得定量信息，关键在于能够准确确定给定光激发下被吸收的光子数量。由于薄膜、纳米颗粒、溶液和不透明样品的吸光量化方法各不相同，本文所介绍的样品制备和校准技术专门针对薄膜样品而设计。然而，所展示的TRMC测量方案具有很强的普适性。

<table><tbody><tr><td>Hellmanex III 清洗剂</td><td>Sigma Aldrich&lt;br/&gt; www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en&amp;amp;region=AU</td><td>Z805939</td><td>腐蚀性和毒性。参见 SDS。</td></tr><tr><td>碘化铅(II) (99%)</td><td>Sigma Aldrich&lt;br/&gt; www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en&amp;amp;region=AU</td><td>211168</td><td>有毒。参见 SDS。</td></tr><tr><td>无水二甲基甲酰胺 (99.8%)</td><td>Sigma Aldrich&lt;br/&gt; www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en&amp;amp;region=AU</td><td>227056</td><td>有毒。参见 SDS。</td></tr><tr><td>无水二甲基亚砜 (99.9%)</td><td>Sigma Aldrich&lt;br/&gt; www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en&amp;amp;region=AU</td><td>276855</td><td>有毒。参见 SDS。</td></tr><tr><td>无水 2-丙醇 (99.5%)</td><td>Sigma Aldrich&lt;br/&gt; www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en&amp;amp;region=AU&amp;amp;gclid=&lt;br/&gt; COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q</td><td>278475</td><td></td></tr><tr><td>碘化甲铵</td><td>Dyesol&lt;br/&gt; www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html</td><td>MS101000</td><td>亦由 Sigma Aldrich 销售</td></tr><tr><td>聚甲基丙烯酸甲酯</td><td>Sigma Aldrich</td><td>445746</td><td></td></tr><tr><td>无水氯苯 (99.8%)</td><td>Sigma Aldrich&lt;br/&gt; www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en&amp;amp;region=AU</td><td>284513</td><td>有毒。参见 SDS。</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;设备&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;型号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注/说明&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>紫外-可见-近红外分光光度计</td><td>Perkin-Elmer&amp;nbsp;</td><td>Lambda 900</td><td></td></tr><tr><td>轮廓仪</td><td>Veeco</td><td>Dektak 150</td><td></td></tr><tr><td>矢量网络分析仪</td><td>Keysight&lt;br/&gt; www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&amp;amp;lc=eng</td><td>Fieldfox N9918A</td><td></td></tr><tr><td>可调波长激光器</td><td>Opotek&lt;br/&gt; www.opotek.com/product/opolette-355</td><td>Opolette 355</td><td></td></tr><tr><td>中性密度滤光片</td><td>Thorlabs&lt;br/&gt; www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193</td><td>NUK01</td><td></td></tr><tr><td>功率计</td><td>Thorlabs&lt;br/&gt; www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D</td><td>PM100D</td><td></td></tr><tr><td>功率传感器</td><td>Thorlabs&lt;br/&gt; www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C</td><td>S401C</td><td></td></tr><tr><td>腔体</td><td>定制</td><td></td><td>本实验所用腔体为实验室自行设计和制造。</td></tr></tbody></table>

通过时间分辨微波电导率研究薄膜光伏材料中的载流子复合动力学

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

本文介绍了一种研究薄膜半导体中光生载流子复合动力学的方法，特别适用于有机-铅卤化物钙钛矿等光伏材料。首先通过轮廓仪和紫外-可见吸收光谱法对钙钛矿薄膜的厚度和吸收系数进行表征。文中详细描述了激光功率和谐振腔灵敏度的校准过程。介绍了一种执行闪光光解-时间分辨微波电导（TRMC）实验的方案，该方法是一种非接触式测定材料电导率的技术。通过在不同微波频率下进行TRMC实验，给出了识别复电导率实部和虚部的处理流程。在不同激发条件下（包括激发功率和波长）测定了载流子动力学行为。文中提出并讨论了区分直接复合与陷阱介导衰变过程的技术。实验结果通过半导体中光生载流子的一般动力学模型进行拟合与解释。所描述的技术适用于多种光电材料，包括有机和无机光伏材料、纳米粒子以及导电/半导体薄膜。

本文展示的代表性结果来自厚度为250 nm的CH3NH3PbI3薄膜样品。
电导率 <img alt='随时间变化的电导率“σ(t)”的静态平衡公式符号。' src="/files/ftp_upload/55232/55232eq54.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式"> 的动态行为可通过以下关系与载流子浓度 <img alt="随时间变化的载流子浓度公式 N&lt;sub&gt;i&lt;/sub&gt;(t)(cm&lt;sup&gt;-3&lt;/sup&gt;)，数学表达式。" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq55.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式"> 的动态行为相关联：
<p class="...

本文介绍了一种时间分辨微波电导技术，用于研究薄膜半导体中直接复合与陷阱介导的复合动力学过程，并测定载流子迁移率。

一种用于研究薄膜半导体中光生载流子复合动力学的方法，特别适用于光伏材料……

本实验的总体目标是利用反射微波功率来测量光诱导载流子在薄膜光伏材料中的复合动力学过程。该方法在光伏领域具有重要意义，因为它能够通过陷阱态和带间复合过程来测量光诱导载流子的衰减行为。该技术的主要优势在于无需在样品上制备电极接触。这意味着测得的寿命和电导率不会因存在阴极而产生畸变。首先，准备进行测量所需的一些必要元件，包括已制备好的测量样品。该薄膜钙钛矿样品已完成表征，并已选定其感兴趣的波长范围。除了样品外，还需准备好微波腔、网络分析仪和激光器。样品将安装在此定制的微波腔中，该微波腔由四块四分之一波长板通过螺钉固定组合而成。通过一个耦合孔将微波引入谐振腔，而微波短路端上的光纤端口则提供光学通路。聚四氟乙烯样品架插入谐振腔内。漫射器可确保入射光在空间上均匀分布，而调谐螺钉则用于调节谐振腔的品质因数。激光器可在可见光至红外波长范围内调谐。所需的较小光学元件包括离轴抛物面镜耦合器和中性密度滤光片。将激光波长调至所需值后，将光束引导至离轴耦合器。使用光束卡检查光束与反射镜光轴的对准情况。光斑应大致从耦合器的中心位置进入。接着，准备一根用于最终与谐振腔耦合的光纤，将该光纤的一端连接至光纤耦合器。将另一端连接至功率传感器和功率计。使用低激光功率，一边调节光纤耦合器，一边开始监测光纤的输出。调节耦合器的倾斜角度，以最大化光纤耦合效率。继续监测功率计，并在读数达到最大功率时停止。应缓慢调节耦合器的倾斜角度，确保不触碰任何部件。通过逐步增加激光功率并进一步调整耦合器方向，优化耦合效果。为了确定腔体损耗因子，需比较光纤输出的激光功率与照射到样品上的入射功率。首先，打开激光器，测量通过光纤输出的功率。然后，调整谐振腔，测量样品位置处的功率。由于谐振腔由四分之一波片构成，需将其拆解以接触样品位置。拆解后，在样品位置处放置一个与支架尺寸相同的掩膜，该位置即为电场最强处。在掩膜后方放置一个功率传感器，用于测量样品处的功率。现在将耦合光纤连接到谐振腔。在选定波长下测量样品位置的功率。接着，断开光纤连接，移除样品位置处的功率传感器和掩模，然后重新组装谐振腔，为后续步骤做好准备。样品架设计用于将样品在腔体内居中。将样品放置在样品架上，并确保样品架朝向激光输入口。将样品架插入腔体。校准腔体灵敏度需要使用网络分析仪和环形器。将网络分析仪的端口一连接到环形器的输入端口一。将环形器的端口二连接至腔体的微波耦合器。从样品反射的任何辐射将从环形器的端口三输出。也将该端口连接至网络分析仪的端口。接下来，使用网络分析仪对反射功率执行两端口 S21 测量。将显示画面重新居中至空腔共振频率，此腔体的共振频率约为 6.5 gigahertz。然后将显示的频率跨度设置为 1 gigahertz。找到加载后谐振腔的谐振频率并进行标记，然后将其居中。最后，在记录谐振曲线前进行放大。现在开始调节谐振腔的品质因数。为此，调节腔体上的调谐螺丝。观察共振曲线以优化品质因数。最佳品质因数通常是在时间分辨率和测量精度之间取得的折衷。腔体灵敏度因子可根据加载后腔体的共振曲线计算得出。下一步是建立时间分辨微波电导（TRMC）测量系统。将激光器调至感兴趣的波长之一，并将输出功率设为最大。接下来，使用功率传感器测量通过光纤传输的激光功率。将光纤从功率传感器上取下，然后将光纤连接到谐振腔的光学输入端。在谐振腔的另一端，网络分析仪和环形器的连接方式与谐振腔灵敏度校准期间相同。分析仪现处于瞬态模式，该示意图清晰地展示了网络分析仪端口的新功能。端口一为微波源，端口二为检测器。激光输入未在图中显示，且图中的放大器嵌入在网络分析仪中。一种常用的替代方案是使用示波器中的微波二极管作为探测器。现在请使用网络分析仪进行操作。通过将网络分析仪的频率跨度设置为零来启用瞬态检测。将测量频率设置为先前测得的加载腔体的谐振频率。接下来，配置微波源。将微波源频率设置为测量频率，输出功率设置为 0 dBm。接着，设置激光器以触发网络分析仪。将激光器的触发输出端连接至网络分析仪。启用外部触发并调整触发偏移，以捕获激光脉冲前数微秒暗信号及信号上升过程。最后，调节分析仪的时间基准，使瞬态尾部远长于初始衰减过程。记录所得的时间分辨微波电导曲线。确定最佳参数后，使用这些参数自动进行时间分辨微波电导率（TRMC）测量。为了获取复电导率的数据，需在不同微波频率下重复该测量。通过查看腔体共振曲线并选择覆盖该曲线范围的多个频率，来确定频率扫描范围。使用网络分析仪将测量频率设置为扫描中的第一个频率。调节信号源频率至测量频率。利用先前确定的最佳测量参数获取 TRMC 谱图。该瞬态信号已扣除背景。对每个选定的频率重复此测量。为了获得强度依赖的瞬态光电导（TRMC）数据，首先将激光器调至目标波长，并设置为最大功率。将光纤从谐振腔中取出，并测量通过光纤传输的光功率。继续实验前，需重新将光纤连接至谐振腔。输入实验参数后，启动自动数据采集。打开激光器。采集至少100次扫描的瞬态平均信号，以校正激光脉冲间功率波动。完成采集后，关闭激光器。在重新开启激光器之前，将中性密度滤光片放置于光路中两个光圈之间。针对此设置，使用不同的中性密度滤光片重复测量步骤。理想情况下，测量应覆盖两个数量级的功率范围。该对数-对数图展示了利用与高斯仪器响应函数卷积的动力学模型对时间分辨微波电导数据进行拟合的结果。通过拟合，可确定载流子寿命和陷阱密度，并表征直接复合及陷阱介导的复合过程。图中每条曲线对应于激发强度在每平方厘米10¹²至10¹⁴个质子范围内的瞬态电导。通过使用中性密度滤光片来调节光强。瞬态电导率数据可用于提取总载流子迁移率随光强的变化关系。该数据的激发波长为530纳米。这些信号代表了对 TRMC 信号的分解，分别对应电导率的实部和虚部的贡献。红色信号为在暗负载腔体共振频率下采集的数据。绿色信号给出了电导率实部的衰减。偏振的衰减以蓝色表示。蓝色的偏振衰减尾部明显小于绿色的电导率衰减。这与通过局域化陷阱态发生的衰减是一致的。一旦掌握，每次 TRMC 测量可在几分钟内完成。进行这些实验时，重要的是要准确记录所有激光器功率设置，包括光纤输出的功率、波长以及所用的中性密度滤光片。时间分辨光致发光测量可与 TRMC 测量结合使用，以将直接复合途径与 TRMC 测量中获得的复合过程区分开来。该技术为研究多种半导体材料中的载流子复合过程铺平了道路，这些材料包括薄膜光伏敏化剂、碳纳米管和二氧化钛纳米颗粒。请务必注意，使用高功率激光器可能极为危险，必须采取相应的预防措施，例如将激光束封闭以及佩戴合适的防护眼镜。

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通过时间分辨微波电导率重组动力学薄膜光伏材料

有机光伏（OPV）材料在纳米尺度上本质上是不均匀的。OPV材料的纳米级不均匀性会影响光伏器件的性能。本文中，我们描述了一种用于定量测量OPV材料电学和力学性能的实验方案，空间分辨率优于100...

使用原子力显微镜对有机光伏材料进行同步定量电导率与力学性能测量

在利用自旋回波分辨掠入射散射（SERGIS）作为中子散射技术探测不规则样品中长度尺度方面已取得进展。采用SERGIS技术对[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯的微晶进行了探测，并通过光学显微镜和原子力显微镜验证了结果。...

利用中子自旋回声分辨掠入射散射技术研究有机太阳能电池材料

无序结构为形成光子带隙以及在功能缺陷设计方面提供了新的机制和前所未有的自由度。为了克服无序系统在计算上的挑战，我们构建了这类新型光子带隙材料的模块化宏观样品，并以一种简便且低成本的方式利用微波来表征其尺度不变的光子特性。...

利用微波与介电体宏观样品研究无序光子带隙材料的光子特性

硫化亚锡（SnS）是一种具有潜力的地球储量丰富且无毒的太阳能电池材料。本文展示了采用原子层沉积法制备SnS太阳能电池的工艺流程，该方法获得了4.36%的认证光电转换效率；此外，采用热蒸发法制备的器件效率达到3.88%。...

通过热蒸发和原子层沉积法制备高效率SnS太阳能电池

本文介绍了一种使用微型狭缝介电涂布机制备有机薄膜太阳能电池的方案，以及利用同步辐射散射技术进行相关在线结构表征的方法。...

体异质结太阳能电池的打印制备 原位 形态学表征

半导体材料中位错和晶界的光学、电学及结构特性可通过扫描电子显微镜中的实验来确定。电子显微技术已被用于研究阴极荧光、电子束感应电流以及背散射电子的衍射。...

利用扫描电子显微镜对半导体材料中扩展缺陷的全面表征

介绍了一种在生理相关条件下测量活体微生物生物膜电导率的实验方案。...

表征活体生物膜中的电子传递

本文介绍了时间分辨红外振动光谱和电子衍射的差分检测分析方法，这些方法能够观测柱状液晶中光激发分子周围局部结构的形变，从而从原子尺度揭示该光敏材料的结构与动力学之间的关系。...

观察光响应性液晶结构动力学的新技术

载流子寿命是半导体中重要的物理参数之一，本文通过微波光电导衰减法来测量载流子寿命。...

通过微波光电导衰减法测量半导体中的载流子寿命

本文描述了在同步辐射光束线上进行X射线束感应电流测量的实验装置。该方法揭示了太阳能电池的纳米尺度性能，并扩展了多模态X射线显微技术的应用范围。从电路连接到信噪比优化，本文展示了如何在硬X射线微探针上开展先进的XBIC测量。...

用于太阳能电池多模式X射线显微术的X射线束诱导电流测量

了解时间分辨微波电导率(TRMC)技术用于研究薄膜光伏材料中的光生载流子复合动力学。该方法无需电极接触即可测量载流子寿命、迁移率和陷阱密度，适用于钙钛矿等光电材料。

通过时间分辨微波电导率研究薄膜光伏材料中的载流子复合动力学

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