Name: La ricombinazione Dynamics nel fotovoltaici a film sottile Materiali tramite risolta nel tempo Microonde Conducibilità (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 30 s
Description: Scopri la dinamica di ricombinazione dei portatori di carica in materiali fotovoltaici a film sottile mediante la tecnica TRMC senza contatti. Questo metodo permette di distinguere tra ricombinazione diretta e mediata da trappole.

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Il riconoscimento viene fatto all'Australian Research Council (LE130100146, DP160103008). JAG è supportato da un Australian Postgraduate Award e DRM da una ARC Future Fellowship (FT130100214). Ringraziamo Nikos Kopidakis per le utili discussioni.

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<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>
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<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>
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<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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Sebbene la tecnica TRMC possa fornire un'ampia quantità di informazioni sulla dinamica dei portatori di carica generati da fotoeccitazione, questa rappresenta una misura indiretta della conducibilità, pertanto è necessario prestare attenzione nell'interpretare i risultati. La tecnica TRMC misura la mobilità totale e non può essere utilizzata per distinguere tra la mobilità degli elettroni e quella delle lacune. L'assunzione fondamentale secondo cui la conducibilità è proporzionale alla variazione della potenza riflessa è...

risolta in tempo flash-fotolisi microonde conducibilità (FP-TRMC) controlla la dinamica di portatori di carica foto-eccitato su scala temporale ns-microsiemens, che lo rende uno strumento ideale per lo studio dei processi di ricombinazione dei portatori di carica. La comprensione dei meccanismi di decadimento di portatori di carica foto-indotta nei semiconduttori a film sottile è di fondamentale importanza in una vasta gamma di applicazioni, tra cui l&#39;ottimizzazione dispositivo fotovoltaico. I tempi di vita vettore indotte sono spesso funzioni di densità indotto vettore, la lunghezza d&#39;onda di eccitazione, la mobilità, la densità e la velocità trappola cattura. Questo documento dimostra la versatilità della tecnica risolta in tempo Microonde conducibilità (TRMC) per indagare una vasta gamma di dipendenze carrier dinamici (intensità, lunghezza d&#39;onda, frequenza microonde) e loro interpretazioni. oneri fotogenerata possono modificare sia reale e la parte immaginaria della costante dielettrica di un materiale, a seconda della loro mobilità e degre<html> e di confinamento / localizzazione 1. La conduttività di un materiale <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq1.jpg" /> è proporzionale alla sua costante dielettrica complessa <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq2.jpg" /> dove <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq3.jpg" /> è la frequenza di un campo elettrico microonde, <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq4.jpg" /> e <img alt="Equazione" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq5.jpg" /> sono le parti reale e immaginaria della costante dielettrica. Così, la parte reale della conducibilità è legata alla parte immaginaria della costante dielettrica, e può essere mappato su assorbimento microonde, mentre la parte immaginaria della conducibilità (in seguito denominato polarizzazione) è collegato a un cambiamento nella frequenza di risonanza del campo di microonde 1. t &quot;&gt; TRMC offre diversi vantaggi rispetto ad altre tecniche. Ad esempio, le misurazioni fotoconduttività DC soffrono di una serie di complicazioni derivanti dal contatto del materiale con elettrodi. ricombinazione migliorata all&#39;interfaccia elettrodo / materiale, posteriore iniezione di cariche attraverso questa interfaccia, nonché come una maggiore dissociazione eccitoni e coppie geminate a causa della tensione applicata 2 tutti portare a distorsioni nei mobilità del vettore di misura e tempi di vita. al contrario, TRMC è una tecnica electrodeless che misura la mobilità intrinseca dei vettori, senza distorsioni dovute al trasferimento di carica tra i contatti . Un vantaggio significativo con le microonde come sonda per dinamiche portante è che, così come il monitoraggio delle vite di decadimento di portatori di carica, meccanismi di decadimento / percorsi possono essere esaminati. TRMC può essere utilizzato per determinare la durata totale di mobilità 3 etempo 4 di portatori di carica indotta. Questi parametri possono essere successivamente utilizzati per distinguere tra i meccanismi di ricombinazione diretti e trappola-mediata 3, 5. La dipendenza di questi due percorsi separati decadimento può essere quantitativamente analizzata in funzione della densità del vettore 3, 5 e energia di eccitazione / lunghezza d&#39;onda di 5. La localizzazione / confinamento di vettori indotte può essere studiata confrontando il decadimento della conducibilità vs polarizzabilità 5 (immaginaria vs parte reale della costante dielettrica). Inoltre, e forse più importante, TRMC può essere utilizzato per caratterizzare gli stati trappola che fungono da percorsi di decadimento portatori di carica. Trappole di superficie, per esempio, possono essere distinte dalle trappole di massa, confrontando passivato vs campioni unpassivated 6. gli stati sub-bandgap puòessere studiati direttamente utilizzando sub-bandgap eccitazione energie 5. Densità Trappola possono essere dedotte inserendo i dati TRMC 7. Grazie alla versatilità di questa tecnica, TRMC è stata applicata per studiare una vasta gamma di materiali, tra cui: semiconduttori tradizionali film sottile come silicio 6, 8 e TiO 2 9, 10, nanoparticelle 11, nanotubi 1, semiconduttori organici 12, miscele materiali 13, 14, e fotovoltaici ibridi materiali 3, 4, 5. Allo scopo di ottenere informazioni quantitative usando TRMC, è fondamentale poter determinare con precisione il numerodi assorbimento di fotoni per un dato eccitazione ottica. Dal momento che i metodi per quantificare l&#39;assorbimento di film sottili, nanoparticelle, soluzioni e campioni opachi sono diverse, le tecniche di preparazione e di taratura del campione qui presentati sono stati progettati specificamente per i campioni a film sottile. Tuttavia, il protocollo di misura TRMC presentato è molto generale.

<table><tbody><tr><td>Detergente Hellmanex III</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en&region=AU</td><td>Z805939</td><td>corrosivo e tossico. Vedere SDS.</td></tr><tr><td>Ioduro di piombo (II) (99%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en&region=AU</td><td>211168</td><td>tossico. Vedere SDS.</td></tr><tr><td>Dimetilformammide anidra (99,8%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en&region=AU</td><td>227056</td><td>Tossico. Vedere SDS.</td></tr><tr><td>Dimetilsolfossido anidro (99,9%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en&region=AU</td><td>276855</td><td>tossico. Vedere SDS.</td></tr><tr><td>2-propanolo anidro (99,5%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en&region=AU&gclid= COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q</td><td>278475</td><td></td></tr><tr><td>Ioduro di metilammonio</td><td>Diesol www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html</td><td>MS101000</td><td>Venduto anche da Sigma Aldrich</td></tr><tr><td>Poli(metacrilato di metile)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>445746</td><td></td></tr><tr><td>Clorobenzene anidro (99,8%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en&region=AU</td><td>284513</td><td>Toxic. Vedere SDS.</td></tr><tr><td>Equipment</td><td>Azienda</td><td>Model</td><td>Comments/Description</td></tr><tr><td>Spettrofotometro UV-VIS-NIR</td><td>Perkin-Elmer&nbsp;</td><td>Profilometro Lambda 900</td><td></td></tr><tr><td>Veeco</td><td></td><td>Dektak 150</td><td></td></tr><tr><td>Analizzatore di rete vettoriale</td><td>Keysight www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&lc=eng</td><td>Fieldfox N9918A</td><td></td></tr><tr><td>Laser a lunghezza d'onda sintonizzabile</td><td>Opotek www.opotek.com/product/opolette-355</td><td>Opolette 355</td><td></td></tr><tr><td>Filtri a densità neutra</td><td>Thorlabs www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193</td><td>NUK01</td><td></td></tr><tr><td>Misuratore di potenza</td><td>Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D</td><td>PM100D</td><td></td></tr><tr><td>Sensore di potenza</td><td>Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C</td><td>S401C</td><td></td></tr><tr><td>Cavità</td><td>Costruito</td><td></td> <td>su misuraLa cavità utilizzata per questo esperimento è stata progettata e costruita internamente.</td></tr></tbody></table>

la ricombinazione dynamics nel fotovoltaici a film sottile materiali tramite risolta nel tempo microonde conducibilità

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

Un metodo per indagare le dinamiche di ricombinazione di portatori di carica foto-indotta nei semiconduttori a film sottile, in particolare in materiali fotovoltaici, come organo-piombo perovskiti alogenuri è presentato. Lo spessore del film perovskite e coefficiente di assorbimento sono inizialmente caratterizzate da profilometria e spettroscopia di assorbimento UV-VIS. La calibrazione di entrambi potenza del laser e la cavità sensibilità è descritto in dettaglio. Un protocollo per l&#39;esecuzione risolto microonde conducibilità (TRMC) esperimenti Flash-fotolisi Tempo, un metodo senza contatto di determinare la conduttività di un materiale, è presentato. è dato Procedimento per identificare le componenti reale e immaginaria del complesso conducibilità eseguendo TRMC in funzione della frequenza delle microonde. dinamiche portatori di carica sono determinati in diversi regimi di eccitazione (compresi i termini di potenza e lunghezza d&#39;onda). Tecniche per distinguere tra i processi diretti e trappola-mediata decadimento vengono presentati e discussi.I risultati sono modellati e interpretati con riferimento ad un modello cinetico generale di portatori di carica fotoindotte in un semiconduttore. Le tecniche descritte sono applicabili ad una vasta gamma di materiali optoelettronici, compresi materiali fotovoltaici organici e inorganici, nanoparticelle, e conduzione / semiconduttori film sottili.

I risultati rappresentativi presentati qui sono stati ottenuti da un campione di film sottile di CH3NH3PbI3 di 250 nm.
La dinamica della conducibilità <img alt='Formula di equilibrio statico "σ(t)" simbolo della tensione nel tempo.' src="/files/ftp_upload/55232/55232eq54.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equazione"> può essere correlata alla dinamica dei portatori di carica <img al...

Qui viene presentata una tecnica di conducibilità a microonde risolta nel tempo per studiare le dinamiche di ricombinazione diretta e mediata da trappole e determinare la mobilità dei portatori di semiconduttori a film sottile.

La ricombinazione Dynamics nel fotovoltaici a film sottile Materiali tramite risolta nel tempo Microonde Conducibilità

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

L'obiettivo generale di questo esperimento è utilizzare la potenza microonde riflessa per misurare la dinamica di ricombinazione dei portatori di carica fotoindotti nei materiali fotovoltaici a film sottile. Questo metodo è utile nel campo del fotovoltaico poiché misura il decadimento dei portatori di carica fotoindotti attraverso stati di trappola e processi di ricombinazione tra bande. Il principale vantaggio di questa tecnica è che non richiede contatti elettrici con il campione.Ciò significa che le vite medie misurate e le conducibilità non sono alterate dalla presenza di catodi. Per prima cosa, raccogliere alcuni degli elementi necessari per eseguire le misurazioni, inclusi un campione preparato per la misura. Questo campione di perovskite a film sottile è stato caratterizzato e le sue lunghezze d'onda di interesse sono state selezionate.Oltre al campione, preparare una cavità a microonde, un analizzatore di rete e un laser. Il campione verrà montato in questa cavità a microonde personalizzata, composta da quattro piastre a quarto d'onda avvitate tra loro. Un diaframma accoppia le microonde alla cavità, mentre un collegamento in fibra sulla chiusura a microonde consente l'accesso ottico.Un supporto per campioni in teflon si inserisce nella cavità. Un diffusore garantisce che la luce incidente sia spazialmente uniforme, mentre una vite di sintonizzazione modifica il fattore di qualità della cavità. Il laser è accordabile su lunghezze d'onda comprese tra il visibile e l'infrarosso.Gli elementi ottici più piccoli necessari comprendono un accoppiatore a specchio parabolico fuori asse e filtri neutri. Con la lunghezza d'onda del laser impostata al valore desiderato, indirizzare il fascio verso un accoppiatore fuori asse. Utilizzare una scheda per fasci per verificare l'allineamento con l'asse ottico dello specchio.Il punto deve entrare nel giuntore approssimativamente al centro. Successivamente, procurarsi una fibra ottica che verrà infine accoppiata alla cavità. Collegare un'estremità della fibra al giuntore per fibra ottica.Collegare l'altra estremità a un sensore e misuratore di potenza. Utilizzare una bassa potenza laser e iniziare a monitorare l'uscita della fibra mentre si regola l'accoppiatore di fibra. Regolare l'angolo inclinato dell'accoppiatore nel tentativo di massimizzare l'accoppiamento nella fibra.Continuare a monitorare il misuratore di potenza e fermarsi quando registra la potenza massima. Gli aggiustamenti dell'angolo di inclinazione sul giunto devono essere effettuati lentamente, assicurandosi di non urtare nulla. Perfezionare l'accoppiamento aumentando gradualmente la potenza del laser e regolando ulteriormente l'orientamento del giunto.Per determinare il fattore di perdita della cavità, confrontare la potenza del laser in uscita dalla fibra con la potenza incidente sul campione. Innanzitutto, accendere il laser e misurare la potenza in uscita attraverso la fibra. Successivamente, utilizzare la cavità per misurare la potenza nella posizione del campione.Dato che la cavità è composta da lamine quarto d'onda, smontatela per accedere alla posizione del campione. Quando è smontata, posizionate una maschera delle dimensioni del supporto nella posizione del campione, dove il campo elettrico è massimo. Posizionate un sensore di potenza dietro la maschera per misurare la potenza al campione.Ora collegare la fibra accoppiata alla cavità. Misurare la potenza nella posizione del campione per la lunghezza d'onda scelta. Successivamente, scollegare la fibra, quindi rimuovere il sensore di potenza e la maschera dalla posizione del campione e rimontare la cavità per prepararla ai passaggi successivi.Il portacampioni è progettato per centrare il campione all'interno della cavità. Posizionare il campione sul portacampioni. Assicurarsi di orientare il portacampioni in modo che sia rivolto verso la porta di ingresso del laser.Inserire il portacampioni nella cavità. La calibrazione della sensibilità della cavità richiede un analizzatore di rete e un circolatore. Collegare la porta uno dell'analizzatore di rete alla porta di ingresso uno del circolatore.Collegare la porta due del circolatore al giunto microonde della cavità. Qualsiasi radiazione riflessa dal campione uscirà dal circolatore attraverso la porta tre. Collegare anche questa porta alla porta dell'analizzatore di rete.Successivamente, utilizzare l'analizzatore di rete per eseguire una misurazione S21 a due porte della potenza riflessa. Riportare al centro del display la frequenza di risonanza della cavità vuota, che è di circa 6,5 gigahertz per questa cavità. Impostare quindi lo span di frequenza del display su un gigahertz.Individuare e segnare la frequenza di risonanza della cavità caricata e centrarla. Infine, eseguire uno zoom prima di registrare la curva di risonanza. Ora iniziare a sintonizzare il fattore di qualità della cavità.Per fare ciò, regolare la vite di taratura sulla cavità. Osservare la curva di risonanza per ottimizzare il fattore di qualità. Un fattore di qualità ottimale è spesso un compromesso tra risoluzione temporale e accuratezza della misurazione.Il fattore di sensibilità della cavità può essere calcolato dalla curva di risonanza della cavità caricata. Il passo successivo consiste nell'allestire la misurazione della conduttività a microonde risolta nel tempo, o TRMC. Regolare il laser su una delle lunghezze d'onda di interesse e impostare la potenza di uscita al massimo.Successivamente, utilizzare un sensore di potenza per misurare la potenza del laser trasmessa attraverso la fibra. Rimuovere la fibra dal sensore di potenza, quindi collegare la fibra all'ingresso ottico della cavità. All'altra estremità della cavità, l'analizzatore di rete e il circolatore rimangono collegati come per la calibrazione della sensibilità della cavità.L'analizzatore è ora in modalità transitoria e questo schema chiarisce le nuove funzioni delle porte dell'analizzatore di rete. La porta uno è la sorgente di microonde. La porta due è il rivelatore.L'ingresso del laser non è mostrato nel diagramma, e l'amplificatore nel diagramma è integrato nell'analizzatore di rete. Una configurazione alternativa comune utilizza un diodo a microonde nell'oscilloscopio come rivelatore. Ora procedere con l'analizzatore di rete.Abilitare il rilevamento transitorio impostando a zero la banda di frequenza dell'analizzatore di rete. Impostare la frequenza di misura sulla frequenza di risonanza della cavità caricata misurata in precedenza. Successivamente, configurare la sorgente microonde.Impostare la frequenza della sorgente microonde sulla frequenza di misura e la potenza di uscita a zero dBm. Successivamente, configurare il laser in modo che attivi l'analizzatore di rete. Collegare l'uscita del trigger del laser all'analizzatore di rete.Abilitare il trigger esterno e impostare l'offset del trigger in modo da acquisire l'insorgenza del segnale con alcune microsecondi di segnale oscuro prima dell'impulso laser. Infine, regolare la base dei tempi dell'analizzatore in modo che la coda transitoria sia molto più lunga del decadimento iniziale. Registrare l'andamento della conducibilità microonda risolta nel tempo risultante.Una volta noti i parametri ottimali, utilizzarli per automatizzare le misurazioni di conducibilità risolta nel tempo mediante microonde o TRMC. Per raccogliere dati sulla conducibilità complessa, ripetere questa misurazione a diverse frequenze di microonde. Selezionare la scansione di frequenza esaminando la curva di risonanza della cavità e scegliendo diverse frequenze che coprano l'intera curva.Utilizzare l'analizzatore di rete per impostare la frequenza di misurazione sulla prima frequenza della scansione. Regolare la frequenza della sorgente alla frequenza di misurazione. Utilizzare i parametri di misurazione ottimali precedentemente individuati per ottenere un tracciato TRMC.Questo transiente ha il fondo sottratto. Ripetere questa misurazione per ciascuna frequenza scelta. Per ottenere dati TRMC dipendenti dall'intensità, iniziare regolando il laser su una lunghezza d'onda di interesse alla potenza massima.Rimuovere la fibra dalla cavità e misurare la potenza trasmessa attraverso la fibra. Ricollegare la fibra alla cavità prima di proseguire. Avviare la raccolta automatica dei dati inserendo i parametri sperimentali.Accendere il laser. Ottenere una media transitoria di almeno 100 tracce per tenere conto delle variazioni di potenza da colpo a colpo del laser. Una volta ottenuta, spegnere il laser.Posizionare un filtro di densità neutra tra due iridi nel percorso del fascio prima di riaccendere il laser. Ripetere i passaggi di misurazione per questa configurazione con diversi filtri di densità neutra. Idealmente, le misurazioni dovranno essere effettuate con potenze che coprano due ordini di grandezza.Questo grafico log-log rappresenta l'adattamento dei dati di conduttività a microonde risolta nel tempo, ottenuto mediante un modello cinetico convoluto con una funzione di risposta strumentale gaussiana. Attraverso l'adattamento, è possibile determinare i tempi di vita dei portatori e le densità di trappole, nonché caratterizzare i processi di ricombinazione diretta e quelli mediati dalle trappole. Ogni traccia in questo grafico corrisponde a una conduttività transitoria a un'intensità di eccitazione compresa tra 10 alla 12esima e 10 alla 14esima protoni osservati per centimetro quadrato.Le intensità sono state variate utilizzando filtri di densità neutra. I dati di conducibilità transiente permettono l'estrazione della dipendenza dall'intensità della mobilità totale dei portatori. La lunghezza d'onda di eccitazione per questi dati è 530 nanometri.Questi andamenti rappresentano una scomposizione di un andamento TRMC nelle contribuzioni delle componenti reale e immaginaria della conducibilità. I dati degli andamenti rossi sono stati registrati alla frequenza di risonanza della cavità oscura caricata. L'andamento verde mostra il decadimento della parte reale della conducibilità.Il decadimento della polarizzazione è in blu. La coda del decadimento della polarizzazione in blu è significativamente più piccola rispetto a quella della conducibilità in verde. Questo è coerente con un decadimento tramite stati localizzati di trappola.Una volta acquisita padronanza, ogni traccia TRMC può essere acquisita in pochi minuti. Nell'eseguire questi esperimenti, è importante registrare correttamente tutti i parametri di potenza del laser, inclusa la potenza in uscita dalla fibra, la lunghezza d'onda e qualsiasi filtro neutro utilizzato. Le misurazioni di fotoluminescenza risolta nel tempo possono essere utilizzate in combinazione con le misurazioni TRMC per separare i percorsi diretti di ricombinazione dai processi complessivi di ricombinazione misurati mediante TRMC.Questa tecnica ha aperto la strada allo studio dei processi di ricombinazione dei portatori di carica in un'ampia gamma di materiali semiconduttori, tra cui sensibilizzatori fotovoltaici a film sottile, nanotubi di carbonio e nanoparticelle di biossido di titanio. Non dimenticare che lavorare con laser ad alta potenza può essere estremamente pericoloso e che è sempre necessario adottare precauzioni come racchiudere il fascio laser e indossare occhiali adeguati.

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Sono stati compiuti progressi nell'utilizzo dello scattering dell'incidenza di pascolo risolto dall'eco di spin (SERGIS) come tecnica di scattering neutronico per sondare le scale di lunghezza in campioni irregolari. Cristalliti di [6,6]-fenil-C61-estere metile acido butirrico sono stati sondati usando la tecnica SERGIS e i risultati confermati dalla microscopia a forza ottica e atomica.

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Strutture disordinati offrono nuovi meccanismi per la formazione bandgaps fotonici e una libertà senza precedenti nel design funzionale di difetti. Per aggirare le sfide computazionali dei sistemi disordinati, costruiamo modulari campioni macroscopici della nuova classe di materiali PBG e utilizzare le microonde per caratterizzare le loro proprietà fotoniche scala-invariante, in modo facile ed economico.

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