Recombinatie Dynamiek in dunne-film Photovoltaic Materials via Tijdopgeloste Magnetron geleidbaarheid

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

doi:10.3791/55232

Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Recombinatie Dynamiek in dunne-film Photovoltaic Materials via Tijdopgeloste Magnetron geleidbaarheid

11.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/55232

⸱

6 maart 2017

Joanna A. Guse¹^,² , Timothy W. Jones³ , Andrew Danos⁴ , Dane R. McCamey¹^,²

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

In dit artikel

Samenvatting

Een Time Resolved Microwave Conductivity-techniek voor het onderzoeken van directe en val-gemedieerde recombinatiedynamiek en het bepalen van dragermobiliteiten van dunnefilm halfgeleiders wordt hier gepresenteerd.

Samenvatting

Werkwijze voor het onderzoeken recombinatie dynamiek van foto-geïnduceerde ladingsdragers in halfgeleiders dunne film, met name in fotovoltaïsche materialen zoals organo-Loodhalide perovskieten gepresenteerd. De perovskiet laagdikte en absorptiecoëfficiënt worden in eerste instantie gekenmerkt door profilometrie en UV-VIS absorptie spectroscopie. Kalibratie van zowel laservermogen en holle gevoeligheid beschreven. Een protocol voor het uitvoeren Flash-fotolyse Tijdopgeloste microgolfgeleiding (TRMC) experimenten, een contactloze werkwijze voor het bepalen van de geleidbaarheid van een materiaal wordt gepresenteerd. Werkwijze voor het identificeren van de werkelijke en imaginaire componenten van het complex geleiding bij het uitvoeren TRMC als functie van de microgolf frequentie wordt gevormd. Ladingsdragers dynamiek worden bepaald onder verschillende excitatie regimes (met inbegrip van zowel kracht en golflengte). Technieken voor het onderscheid tussen directe en-trap gemedieerde rottingsprocessen gepresenteerd en besproken.Resultaten worden gemodelleerd en uitgelegd aan de hand van een algemene fotogeïnduceerde kinetisch model van ladingsdragers in een halfgeleider. De beschreven technieken zijn toepasbaar op een breed scala van opto materialen, waaronder organische en anorganische fotovoltaïsche materialen, nanodeeltjes en geleidende / halfgeleidende dunne films.

Inleiding

Flash-fotolyse-time opgelost magnetron geleidbaarheid (FP-TRMC) houdt toezicht op de dynamiek van de foto-enthousiast ladingdragers op het ns-microseconde tijdschaal, waardoor het een ideaal hulpmiddel voor het onderzoeken van ladingsdragers recombinatie processen. Het begrijpen van de mechanismen van verval fotogeïnduceerde ladingsdragers in halfgeleiders dunne film is van cruciaal belang in een aantal toepassingen, waaronder fotovoltaïsche inrichting optimalisatie. De geïnduceerde carrier levens zijn vaak functies van geïnduceerde carrier dichtheid, excitatiegolflengte, mobiliteit, val dichtheid en de vangst tarief. Deze paper toont de veelzijdigheid van de tijdsopgeloste Microwave geleidbaarheid (TRMC) techniek voor het onderzoeken van een breed scala van carrier dynamische afhankelijkheden (intensiteit, golflengte, magnetron frequentie) en hun interpretaties.

Photogenerated kosten kunnen wijzigen om zowel de reële en imaginaire delen van de diëlektrische constante van een materiaal, afhankelijk van hun mobiliteit en degre e van de bevalling / lokalisatie ^1. De geleidbaarheid van een materiaal figure-introduction-1 is evenredig aan de complexe diëlektrische constante

figure-introduction-2

waar figure-introduction-3 is de frequentie van een microgolf elektrisch veld, figure-introduction-4 en figure-introduction-5 zijn de reële deel van de diëlektrische constante. Zo wordt het reële deel van de geleidbaarheid met betrekking tot het imaginaire deel van de diëlektrische constante, en kan worden naar magnetron absorptie, terwijl het imaginaire deel van de geleidbaarheid (hierna afgekort als polarisatie) houdt verband met een verschuiving van de resonantiefrequentie van het microgolfveld ^1.

t "> TRMC biedt verscheidene voordelen boven andere technieken. Bijvoorbeeld, DC fotoconductiviteit metingen lijden aan diverse complicaties van contact brengen van het materiaal met elektroden. Verbeterde recombinatie aan de elektrode / materiaal interface terug injecteren van ladingen via deze interface, en verbeterde dissociatie van excitonen en geminate paren als gevolg van de aangelegde spanning ² allemaal leiden tot verstoringen in de gemeten mobiliteiten en levens. in tegenstelling TRMC is een elektrodeloze techniek die de intrinsieke mobiliteit van de dragers meet zonder vervormingen als gevolg van de overdracht aan de overkant van de contacten op te laden .

Een belangrijk voordeel van microgolfvermogen als een probe voor carrier dynamics is dat naast het controleren van verval levensduur van ladingsdragers, bederf instrumenten / routes kunnen ook worden onderzocht.

TRMC kan worden gebruikt om het totale mobiliteit ³ en leven bepalentijd ⁴ van geïnduceerde ladingsdragers. Deze parameters kunnen vervolgens worden gebruikt om onderscheid te maken tussen directe en val bemiddelde recombinatie mechanismen ^{^3,} ^5. De afhankelijkheid van deze twee afzonderlijke paden verval kan kwantitatief worden geanalyseerd als functie van ladingsdichtheid ^{^3,} ⁵ en excitatie-energie / golflengte ^5. De lokalisatie / opsluiting van geïnduceerde dragers kan worden onderzocht door het vergelijken van het verval van de geleidbaarheid versus polariseerbaarheid ⁵ (imaginaire vs reële deel van de diëlektrische constante).

Bovendien, en misschien nog belangrijker, TRMC kan worden gebruikt te controleren toestanden die als ladingsdrager verval pathways karakteriseren. Oppervlak vallen, bijvoorbeeld, kunnen worden onderscheiden van bulk vallen door vergelijking gepassiveerd vs gepassiveerde monsters ^6. Sub-bandgap staten kunnenrechtstreeks onderzocht met behulp van sub-bandgap excitatie-energie ^5. Trap dichtheden kan worden afgeleid door het aanbrengen TRMC gegevens ^7.

Door de veelzijdigheid van deze techniek is TRMC toegepast op een groot aantal materialen zoals studeren: traditionele dunne film halfgeleiders zoals silicium ^{^6,} ⁸ en TiO ₂ ^{^9,} ^_10, nanodeeltjes ^11, nanobuizen ^1, organische halfgeleiders ^12, materieel mengsels ^{^13,} ^14, en hybride fotovoltaïsche materialen ^{^3,} ^{^4,} ^5.

Teneinde kwantitatieve informatie met behulp TRMC verkrijgen, is het cruciaal om nauwkeurig te kunnen bepalen het aantalgeabsorbeerde fotonen voor een bepaalde optische excitatie. Aangezien methoden voor het kwantificeren van de absorptie van dunne films, nanodeeltjes, oplossingen en ondoorzichtige monsters verschillen, worden de monstervoorbereiding en calibratietechnieken hier gepresenteerde speciaal ontworpen voor dunne film monsters. De TRMC meetprotocol gepresenteerd is zeer algemeen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Monstervoorbereiding

Let op: Sommige chemicaliën die worden gebruikt in dit protocol kan gevaarlijk zijn voor de gezondheid. Raadpleeg dan eerst alle relevante veiligheidsinformatiebladen voordat een monster voorbereiding plaatsvindt. Maak gebruik van geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (witte jassen, een veiligheidsbril, handschoenen, etc.) en technische maatregelen (bv glovebox, zuurkast, etc.) bij het hanteren van de perovskiet voorlopers, en oplosmiddelen.

Opmerking: Het doel van deze sectie is een uniforme dikte dunne film op het substraat. Hoewel deze procedure is specifiek voor de organo-Loodhalide perovskiet ontwerp kan worden aangepast voor verschillende monsters en staalvoorbereidingstechnieken zoals opdampen, spincoating en sputteren, enz. De belangrijkste effecten zijn een gelijkmatige dunne film.

Het schoonmaken van het substraat
1. Plaats het kwarts (of laag ijzergehalte glas) substraat in een ultrasoon badwasmiddel voor 30 min.
2. Herhaal ultrasone behandeling met ultrapuur water en vervolgens met isopropanol.
3. Plaats de gereinigde substraten onder stikstof plasma gedurende 30 minuten onmiddellijk vóór de overdracht in een stikstof handschoenkast.
CH ₃ NH ₃ PBI ₃ perovskiet monstervoorbereiding met behulp van de methode interdiffusie ¹⁵
LET OP: de volgende stappen worden uitgevoerd in stikstof dashboardkastje.
1. Voeg 461 mg van PBI ₂ tot een monster flesje, en over te dragen aan een stikstof glovebox.
2. Voeg 850 pl watervrij dimethylformamide (DMF) aan 150 ui watervrij dimethylsulfoxide (DMSO) om een gemengde 85:15 DMF / DMSO oplosmiddel.
3. Voeg de PBI ₂ aan de DMF / DMSO oplosmiddel en verwarm het mengsel bij 100 ° C onder roeren met een magnetische roerstaaf totdat het PBI ₂ volledig is opgelost.
4. Filter de PBI ₂ oplossing door een 0,2 um PTFEfilter in een schoon monsterflesje en terugkeert naar 100 ° C kookplaat.
5. Los 50 mg van CH ₃ NH ₃ I in 50 ml watervrij isopropanol.
6. Verdeel 80 pi van het hete pBI ₂ oplossing op het glassubstraat (bij kamertemperatuur) en onmiddellijk draaien op 5000 rpm gedurende 30 s tot een dunne PBI ₂ precursor film.
7. Injecteer 300 ui volume van de CH ₃ NH ₃ I-oplossing rechtstreeks op het midden van de pBI ₂ film en onmiddellijk draaien coat deze oplossing bij 5000 rpm gedurende 30 s.
  LET OP: Deze stap moet uitgevoerd met een enkele vertrouwen afzien van de CH ₃ NH ₃ I-oplossing worden uitgevoerd. Voorzichtig onbedoelde druppels vermijden aangezien dit beïnvloedt de kwaliteit van de verkregen film.
8. Plaats het monster op een verwarmingsplaat bij 100 ° C gedurende 2 uur, zodat de precursorfolie kristalliseert in een perovskietstructuur. De resulterende CH ₃ NH ₃ ₃ PBI film moet worden smooth, met een spiegelend oppervlak en ongeveer 250 nm dik.
sample inkapseling
LET OP: deze stap is alleen nodig voor de monsters die last hebben van de atmosferische degradatie.
1. Los 10 mg van poly (methylmethacrylaat) (PMMA) in 1 mL watervrij chloorbenzeen. Spin laag van het monster met 50 ul van PMMA oplossing bij 1000 rpm gedurende 30 s.

2. Sample karakterisering

Meet de dikte van de monsters
1. Etch een kleine lijn op een metgezel monster. Scan het oppervlak in de buurt van deze etsen met behulp van een profilometer. Bepaal de filmdikte L.
  LET OP: Het monster moet worden opgeslagen in een lichte gratis (bijvoorbeeld bedekt met aluminiumfolie) zuurstofvrije (bv stikstof) omgeving tot aan gebruik.
Meet het absorptiespectrum
LET OP: De details van deze meting is afhankelijk van het monster (bv poeders vs opaque films vs semi-transparante films). De volgende werkwijze is ontworpen voor semi-transparante dunne filmmonsters. Het doel van deze sectie is de golflengten van belang vast te onderzoeken (bijv bepalen bandgap, aangeslagen functies, etc.), en berekent _een F, fractie van geabsorbeerde fotonen versus invallende fotonen bij elke golflengte van belang.
1. Het monster substraat (bijv glasplaatje) in het monster houder van een geschikte spectrofotometer. Verslagachtergrond reflectie (R (λ)) en doorlaatbaarheid (T (λ)) spectra volgens de instructies van de fabrikant. Opmerking: a reflectiestandaard zoals BaO ₄ kan ook worden gebruikt om een nauwkeurige basislijn verkrijgen.
2. Vervang het substraat met het monster en de reflectie (R (λ)) en transmissie opnemen (T (λ)) volgens de instructies van de fabrikant. Trek de achtergrond meting om nauwkeurige spectra te verkrijgen.
  LET OP: Voor ondoorzichtige monsters, zoalspectrophotometer met een integrerende bol bevestiging worden gebruikt. De diffuse reflectie wordt gemeten overeenkomstig punt 2.2.1-2 echter het monster wordt geplaatst aan de achterkant van de integrerende bol, volgens instructies van de fabrikant.
3. Bereken de absorptiecoëfficiënt via:
  
  OPMERKING: Indien d de dikte van de film in cm.
4. Bereken het aantal geabsorbeerde vs incident fotonen via
  
  LET OP: Zorg ervoor dat de absorptiecoëfficiënt en sample dikte L hebben dezelfde eenheden.
5. Bepaal golflengten van belang uit het absorptiespectrum door inspectie. Deze kunnen optische overgangen of golflengten onder meer aan de band rand of in de band staart. Let op de F _een op elk van deze golflengten.
  Opmerking: De volgende kalibratie processen moeten worden uitgevoerd vlak voor het experiment.

3. Macht van de laser Calibration

LET OP: In deze sectie wordt verwezen naar de optische excitatie schema in figuur 3. Instelbare golflengte lasers zoals OPO vereisen koppeling bij elke golflengte.

Paar de vrije ruimte laser tot een vezel
LET OP: Als de beschikbare laser is al glasvezel gekoppeld, slaat u deze sectie.
OPMERKING: Off-axis parabolische spiegel vezel koppelaars zijn achromatische, wat betekent dat alle golflengten invalt op de spiegel gericht op het monsterpunt. Hierdoor kan de vezel worden gekoppeld met de vrije ruimte laser op een golflengte en geen aanpassingen bij elke golflengte vereist. Deze stap moet worden gedaan voordat alle andere metingen worden uitgevoerd
NB: Het is mogelijk om een TRMC holte en optische opstelling met behulp van een vrije ruimte laser te ontwerpen, maar nauwkeurig en reproduceerbaar karakteriseren van de geabsorbeerde laservermogen iets moeilijker kan zijn.
1. Stel de invallende golflengte op de gewenste waarde (bijvoorbeeld 750 nm) volgens het protocol van de fabrikant. Voor vaste golflengte lasers, deze stap niet nodig.
2. Controleer het profiel laserstraal op zichtbare dwarsbalken. Als deze bestaan, gebruiken irissen zodat alleen de centrale Gauss-balk door te geven aan de vezel koppelaar.
3. Lijn de off-axis parabolische spiegel vezel koppelaar zodat de invallende laserbundel wordt uitgelijnd met de optische as van de spiegel.
4. Sluit de glasvezelkabel aan de vezel koppelaar en een energiesensor. Hoe groter de vezelkern, hoe meer licht wordt gekoppeld in de vezel. Een 1 mm kern NA 0,48 vezel werkt effectief.
5. Maximaliseren vezel koppeling op laag vermogen door het bewaken van het uitgangsvermogen van de vezel met de kracht sensor tijdens het aanpassen van de kantelhoek en de hoek van de vezel koppelaar. Optimale koppeling wordt bereikt wanneer de stroom door de sensor gemeten wordt gemaximaliseerd (bijvoorbeeld aanpassingen van de vezel koppelaar kantelhoek resulteren in een lower macht meting)
  Opmerking: Als de uitlijning armen, is het mogelijk om de buitenste mantel van de vezels beschadigen. Een tikkend geluid geeft aan dat een gat wordt verbrand in de bekleding. In dit geval onmiddellijk uitschakelen van de laser en het uitvoeren van een grove uitlijning van de koppeling bij laag vermogen.
6. Geleidelijk verhogen van de laservermogen en verfijnen van de koppeling zoals in 3.1.5.
Meet holte verlies factor
NB: Dit deel moet worden uitgevoerd nadat de vezel koppeling procedure beschreven in paragraaf 3.1.
1. Meet de kracht overgebracht door de vezel met een geschikte kracht sensor. Deze meting wordt uitgevoerd, voordat de vezels in de holte.
2. Meet de spanning op het monster. Dit is het gemakkelijkst als de holte bestaat uit 4 kwartgolfplaten geschroefd (zie figuur 4). Om dit nauwkeurig en reproduceerbaar te doen, draai de holte, plaats een masker van de omvang van de steekproef houder op het monsterpositie en meet het laservermogen de detector bereikt door het masker.
3. Bereken de holte verliesfactor wordt door het laservermogen gemeten op de vezel door de kracht gemeten in het monster. Deze meting wordt rekening gehouden met geometrische verliezen alsmede verliezen als gevolg van diffusie componenten in de setup.
4. Herhaal deze meting voor elke golflengte van belang.

4. Montage van het monster in de holte

Het monster wordt in een Teflon monsterhouder, zodat het monster in het midden van de holte na plaatsing ontworpen.
Plaats de monsterhouder in de holte op een plaats van maximale elektrische veld, met de dunne film tegenover de optische ingang van de holte. Figuur 4 toont een gedetailleerd schema van de holte en monsterhouder.

5. Cavity Gevoeligheid Calibration ¹⁴

LET OP: Excess geproduceerde foto ladingvervoerders leiden tot een verandering in de steekproef van de geleidbaarheid figure-protocol-3 (Sm ^-1) leidt tot een afname van het microgolfvermogen gereflecteerd door de holte figure-protocol-4 . Voor kleine veranderingen in de geleidbaarheid ^17, de verandering van microgolfvermogen is proportioneel aan de verandering in geleidbaarheid via een holte gevoeligheidsfactor figure-protocol-5 :
figure-protocol-6
De wijziging in geleidbaarheid figure-protocol-7 van het monster heeft betrekking op de wijziging in de bulk geleiding figure-protocol-8 via figure-protocol-9
LET OP: Deze kalibratie is noodzakelijk voor het omzetten van magnetron macht om de mobiliteit carrier op te laden. Wanneer het doelvan de studie is om de dynamiek te vergelijken of relatieve resultaten te verkrijgen, wordt deze kalibratie niet nodig.
LET OP: In deze sectie vindt u in de magnetron detectie setup in figuur 5.

Sluit poort 1 van een netwerkanalysator de circulator invoerpoort 1. Verbind poort 2 van een netwerkanalysator naar het punt in het circuit net voor detectie (bijvoorbeeld met de uitgang van een detectie diode of IQ modulatie detector). Meet de stroom gereflecteerd door de geladen holte (dwz met het ingebrachte monster) als 2-poort S21 meten, teneinde de resonantie curve van het circuit te verkrijgen. ¹⁴
Opmerking: Als de holte niet is afgestemd op de externe magnetron detectieschakeling, wordt de resonantiekromme verschillend voor de zelfstandige holte vs de holte in het circuit. Aldus is het beter om de resonantie niet gemeten als een poort reflectiemeting uit de holte, maar eerder als een 2-port 'reflection' meting thrdoorgedreven de circulatiepomp.
OPMERKING: De resonantiefrequentie wordt voornamelijk bepaald door de geometrie van de holte gebruikt. Typische resonantiefrequenties voor TRMC worden in X-band (~ 10 GHz) en Q-band (~ 34 GHz), hoewel elk microgolffrequentie kan in principe worden gebruikt. In dit manuscript, maken we gebruik van een holte met een resonantiefrequentie van ~ 6,5 GHz, dat een vergelijkbaar magnetron respons, terwijl een grotere steekproef ruimte in vergelijking met een X-band holte biedt.
Optimaliseer de kwaliteit factor, , Van de holte met de tuning schroef door het observeren van de resonantie dip worden dieper en smaller.
LET OP: Het optimaliseren van de Q-factor betekent niet noodzakelijk dat het maximaliseren van de Q. Terwijl het verhogen van de Q-factor verhoogt de gevoeligheid, de holte responstijd ook toe. Het kan de voorkeur om de gevoeligheid reduceren tot hogere tijdresolutie te verkrijgen. Indien de Fotogeïnduceerde ladingsdragers de diëlektrische constante van het materiaal aanzienlijk te wijzigen, kan de resonantiefrequentie tijdelijk verschuiven buiten de holte bandbreedte als de Q en resulteert in een vervormde vermogensmeting. In deze gevallen overcoupling de resonator lichtjes kan de nauwkeurigheid van het gereflecteerde vermogen te verbeteren.
Meet en noteer de geoptimaliseerde resonantie curve van het gebruik van een netwerk analyzer zoals beschreven in paragraaf 5.1.1.
Perceel P _weerspiegeld / P _incident op een lineaire schaal en past de basislijn gecorrigeerde figuur met een Lorentz lineshape, zoals weergegeven in figuur 6.
Bereken de geladen kwaliteitsfactor , via:

LET OP: Indien is de breedte op halve hoogte (FWHM) van de resonantiekromme enatie "src =" / files / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> is de resonantiefrequentie.
Bereken de holte gevoeligheidsfactor A (Ω cm) van de holte ¹⁴ via:

waar is de verhouding tussen gereflecteerd en invallend vermogen op de resonantiefrequentie, is de geladen resonantiefrequentie, is de resonantiefrequentie, is de diëlektrische constante van het materiaal bij de resonantiefrequentie, is de permittiviteit van de vrije ruimte (F / cm).
LET OP: Deze formule gaat uit van de steekproef van de gehele holte vult.
Corrigeer de gevoeligheid factor voor het monster geometry:
De volgende correctiefactoren gelden voor een dunne film steekproef van grootte [w x B x L], (L << d), in het midden van de holte op z ₀ = d / 4 (dat wil zeggen bij de maximale elektrische veld). Hier is L de monsterdikte (cm), a en b zijn de lange en korte zijden van de rechthoekige holte respectievelijk d is de lengte van de holte (cm). De geometrie gecorrigeerde gevoeligheid factor A wordt gegeven door:

waarin C _z, C _xy de correctiefactoren door onvolledige vulling van de holle ruimte langs de z en xy richting, gegeven door:

6. Single TRMC Transient Measurement Procedure

Bepaal optimale meting parameters: handmatig signaal te vinden
LET OP: Pleidooise te verwijzen naar de experimentele schematisch weergegeven in figuur 2 voor het lezen van de volgende onderdelen van het protocol.
OPMERKING: instellen van de magnetron detectieschakeling kan met de hand of met de juiste software. Kenmerkend voor elk nieuw monster, de meetparameters (zoals resonantiefrequentie microgolfvermogen, triggerpositie en tijdbasis) zijn bekend en worden aangepast voor het identificeren / optimaliseren signaal. Dit wordt meestal handmatig. Als de informatie eenmaal is geïdentificeerd, worden de meetparameters vervolgens in een MATLAB (of ander) script gebruikt om het meetproces automatiseren ingevoerd.
1. Stem de laser op een golflengte van belang, zoals bepaald in punt 2.2.5.
2. Als de laser een instelbare vermogensinstelling, stelt het uitgangsvermogen op maximum, volgens instructies van de fabrikant. (Dit kan inhouden handmatig aanpassen van een stroom knop of kan geschieden via software afhankelijk van de laser).
3. Sluit de (reedsgekoppelde) glasvezelkabel aan een power sensor, en meet het laservermogen doorgelaten door de vezel met behulp van een power meter. De vezel is niet verbonden met de holte in dit stadium.
  Opmerking: Voor zeer korte gepulste lasers, dit vaak best met thermische (gemiddeld vermogen) sensoren plaats diode sensoren, die tijdelijke verzadiging of zelfs diëlektrische doorslag bij zeer hoge vermogens kunnen ondergaan.
4. Gebruik neutrale dichtheid (ND) filters om het laservermogen verzwakken om het gewenste vermogen.
  NB: het is mogelijk om het vermogen in te stellen op een lager niveau en geen gebruik van filters, maar een meer nauwkeurige macht lezing kan worden verkregen door het meten van een hoog vermogen dan verzwakken.
5. Bereken N _ph, het aantal geabsorbeerde fotonen / ^cm2 / puls in dit excitatie-intensiteit over:
6. Sluit de vezel de holte.
7. Stel de detectieschakeling zie figuur 5.
  OPMERKING: Een vector netwerk analyzer werd gebruikt om deze metingen uit te voeren; Het is echter mogelijk een alternatieve microgolfdetectie setup, bijvoorbeeld met een magnetron diode als krachtsensor.
8. Stel de microgolfbron frequentie de resonantiefrequentie van de geladen holte gemeten overeenkomstig punt 5. Voor onze opstelling met de netwerkanalysator, dit omvat waardoor de continue frequenties handmatig invoeren van de frequentie van het uitgangssignaal microgolven.
9. Stel het magnetronvermogen op 0 dBm.
10. Trigger het netwerk analyzer (of alternatieve detector) met behulp van de laser. Bepaal de trigger nodig te compenseren aan de stijging van het signaal vast te leggen met een paar microseconden van de 'donkere' signaal voor de laserpuls om te gebruiken als een basis voor de montage. Instellen van de trigger offset naar 1/10 van het signaal lengte werkt goed (bijvoorbeeld als het signaal 100 ps lang, dan is de baseline trekker moeten worden gecompenseerd door 10 microseconden). Dit houdt in het veranderen van de trigger mode op "externe", en het aanpassen van de trigger offset totdat het signaal wordt gevonden.
11. Stel de tijdsbasis van de netwerkanalysator (of alternatieve detector) zodanig dat de tijdelijke staart is veel langer dan de oorspronkelijke verval. Vaak is er een lange staart die blijft bestaan, zelfs wanneer het verschijnt (op lineaire schaal) dat het signaal vervallen de ruisvloer.
  LET OP: Om te bepalen of de gebruikte tijdsbasis voldoende lang is, noteert een gemiddelde TRMC van voorbijgaande aard en vervolgens plot op een log-log schaal.
Meet ruwe voorbijgaande
LET OP: Typisch, bij het verkrijgen suites van TRMC gegevens, de meting proces is geautomatiseerd door interfacing met de magnetron bron en de detector. In dit document, heeft een zelfgemaakte MATLAB script gebruikt om de magnetron uitgang (freq, en de macht) in te stellen en ook om de meting acquisitie configureren (meettijd basis, trigger-offset, nummer of gemiddelden).
1. Als de metingen worden geautomatiseerd, voert de microgolf frequentie en kracht en de verwerving trekker offset en meting tijdbasis die hierboven zijn bepaald in het deel in de experimentscript.
2. Terwijl voortdurend pulseren van de laser, te meten en vast te leggen een TRMC verval van voorbijgaande aard op een netwerk analyzer (of alternatieve detector). Gemiddeld ten minste 100 sporen (zelfs wanneer de S / N is zeer hoog met een enkel schot meting) ter compensatie van schot tot schot vermogensvariaties in gepulst laser. Als de metingen worden geautomatiseerd, wordt dit gedaan door het uitvoeren van de experimentscript.
  OPMERKING: Averaging nodig zijn om voldoende signaal-ruisverhouding te verkrijgen, in het bijzonder voor monsters met lange, kleine amplitude verval staarten zoals getoond in figuur 7.
  OPMERKING: Omgekeerde transiënten of transiënten met positieve en negatieve 'lobben' kan aangeven dat de microgolf frequentie niet in de holte resonantiefrequentie. Pas de source frequentie totdat het voorbijgaande signaal wordt gemaximaliseerd.
3. Koppel de vezel uit de holte en de dop op de optische poort. Neem een achtergrondmateriaal met hetzelfde aantal gemiddelden als in de vorige stap, waarbij het monster nog in de resonator, doch niet meer verlicht.
4. Trek de achtergrond sporen uit het signaal traceren.
Proces ruwe data in de mobiliteit per ladingdrager
1. Bereken verandering in gereflecteerd vermogen via
  
  LET OP: Indien is de basislijn waarde van de ruwe voorbijgaande (voor verlichting) en is de ruwe data van voorbijgaande aard.
  OPMERKING: Als de detector meet spanning geen stroom (bijv Diode + oscilloscoop), dan is een schaalfactor moet worden opgenomen. De schaalfactor wordt meestal uitgedrukt door de dIODE fabrikant; anders kan worden verkregen door het uitvoeren van een kalibratie van de uitgangsspanning vs ingang magnetron macht.
2. Omzetten van de verandering in de gereflecteerde vermogen om de mobiliteit per ladingsdragers (dwz herschalen van voorbijgaande aard) via:
  
  LET OP: Indien geeft het einde van de laserpuls, de lading van een elektron, is de verhouding tussen de korte en lange afmetingen van de holte en is het aantal geabsorbeerde fotonen per ^cm2 en (Ω) verband de gereflecteerde p magnetronower de verandering in geleiding Ag. Dit herschalen maakt het mogelijk om een zinvolle vergelijking van TRMC transiënten genomen op verschillende laser bevoegdheden en golflengten.
  NOTITIE: in feite de totale mobiliteit van elektronen en gaten. We kunnen echter geen onderscheid maken tussen deze bijdragen met behulp van TRMC, en daarom hebben we gooien ze samen voor eenvoud.
3. Monteer de TRMC trace met een geschikt model.
  LET OP: Dit is eenvoudig als de gegevens volgt op een enkele of dubbele exponentiële vorm. Echter de gegevens heeft een eenvoudige vorm kan het nodig zijn de gegevens aanpassen aan een kinetisch model, dat betrokken aanbrengen van de oplossing van een ODE (zie figuur 7). De fitting vergelijking / model wordt geconvolueerd met een instrument responsie functie (bijvoorbeeld Gaussische middelpunt op t = t _laser met een breedte die overeenkomt met de reactietijd van het instrument dat de temporele resolutie van de gegevens beperkt.)

7. onderzoek naar de reële en imaginaire componenten van de geleidbaarheid

Meten TRMC sporen als functie van de microgolf frequentie probe
OPMERKING: De (complexe) geleidbaarheid dynamiek kan worden gedeconstrueerd in de echte (geleidbaarheid) en imaginaire (polarisatie) componenten door het nemen van meerdere TRMC sporen bij microgolffrequenties verspreid over de resonantie curve van het geladen holte.
1. Bepaal de resonantiefrequentie van de holte met het monster in het donker van de S21 holteresonantie curve (zie figuur 6).
2. Kies x> 20 frequentie punten langs deze resonantiecurve. Deze punten worden gebruikt om een Lorentz functie past, dus het best als er meer punten dichtbij het donker resonantiefrequentie _fc (zie Figuur 9).
3. Stel de excitatie golflengte, afhankelijk van de polarisatie dynamiek van belang (bijvoorbeeld boven bandgap gratis carrier polarisatie, sub-bandgap voor gevangen lading polarisatie).
4. Stel het laservermogen maximale (dit zal de hoogste S / N-).
5. Meet de laservermogen van de vezel. Stel de probe microgolf frequentie de resonantiefrequentie van de holte in het donker .
6. Het verkrijgen van een TRMC trace zoals beschreven in hoofdstuk 6. Herhaal de meting hierboven beschreven op een vaste laser intensiteit .
Frequentie gegevens post-processing: deconstructie in reële deel
1. Plot TRMC voorbijgaande macht als functie tijd en probe microgolffrequentiees / ftp_upload / 55.232 / 55232eq116.jpg "/>, zie figuur 8.
2. plot en De TRMC vermogen bij t = 0 en t = eind laserpuls per microgolffrequentie, zie figuur 8.
3. Voor elk segment in de tijd , De bouw van een resonantie curve .
4. Breng deze curve met een Lorentziaanse om de resonantiefrequentie te verkrijgen En de resonerende stroom .
5. plot vs een hysteresis-achtige polar verkrijgenordening evolutie perceel (zie inzet in figuur 8).
6. Bereken de genormaliseerde frequentie van voorbijgaande aard en van voorbijgaande aard machtsverschuiving via:
7. Plot de verandering in resonantiefrequentie , Veranderen in resonantie macht en veranderen krachtblok in de holte middenfrequentie , Zie figuur 10.

8. Intensity Dependent Data Suite

Stem de laser op een golflengte van belang, zoals bepaald in punt 2.2.5.
Stel het laservermogen op maximum.
Meet de laservermogen van de vezel.
Sluit de vezel de holte.
Het verkrijgen van een enkele TRMC voorbijgaande zoals beschreven in hoofdstuk 6.
Plaats een ND-filter ergens tussen de laser en de vezel (of tussen twee irissen, of vlak voor de vezel koppelaar. Bij lasers met vezeloutput moet het ND-filter geplaatst tussen de vezeluitvoer en de holte optische poort).
Bereken en het gewijzigde aantal geabsorbeerde fotonen op te nemen, zoals beschreven in 6.1.5.
Het verkrijgen van een enkele TRMC voorbijgaande zoals beschreven in hoofdstuk 6.
OPMERKING: als de verzwakking toeneemt, zal het nodig zijn het aantal gemiddelden verhogen.
Herhaal 8,6-8,8 voor zoveel combinaties van ND-filters zoals vereist.
LET OP: Intensity afhankelijkheden worden vaak waargenomen over verschillende ordes van grootte. Het hoge vermogen limiet wordt door de maximale output laservermogen ingesteld op een bepaalde golflengte. De lage krachtbegrenzing wordt door de gevoeligheid van de detectie Setup.

9. Golflengte Dependent Data Suite

LET OP: In order aan TRMC transiënten bij verschillende golflengten vergelijken, moet de laser worden geijkt elke golflengte zodat vervolgens geïnduceerd dragerconcentratie constant.

Bepaal de golflengte die het maximaal haalbare veroorzaakte ladingsdragers dichtheid N _carriers beperkt. Dit kan worden beperkt door de beschikbare laservermogen bij die golflengte of de absorptie-eigenschappen van het monster. Bijvoorbeeld, bij het meten TRMC transiënten bij golflengte verspreid over de hierboven onder en sub-bandgap regime, de lage absorptie bij sub-bandgap golflengtes de maximale ladingsdichtheid beperken.
Bereken het laservermogen nodig is om deze voortdurende verwijzing carrier dichtheid N _carriers bij elke golflengte met behulp van het genereren van:
Stem de laser om de gewenste golflengte. Stel het laservermogen de berekende 9,2. Sluit de vezel de holte. Het verkrijgen van een enkele TRMC voorbijgaande zoals geschetst inhoofdstuk 6. Herhaal stap 9.3 voor elke golflengte van belang.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De vertegenwoordiger van de hier gepresenteerde resultaten werden verkregen uit een 250 nm CH ₃ NH ₃ PBI ₃ dunnefilmmonster.

De dynamiek van de geleidbaarheid figure-results-1 kan worden gerelateerd aan de dynamiek van de ladingsdragers figure-results-2 via

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Terwijl de TRMC techniek een schat aan informatie over enfotogeïnduceerde ladingsdragers dynamiek kan bieden, is dit een indirecte meting van de geleidbaarheid, en dus zorg moet worden genomen bij het interpreteren van de resultaten. De TRMC techniek meet volledige mobiliteit, en kan niet worden gebruikt om onderscheid te maken tussen elektronen en gaten mobiliteit. De onderliggende aanname dat geleidbaarheid evenredig aan de veranderingen in gereflecteerde vermogen geldt alleen wanneer dat verandering klein (<5%)

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De Australische Onderzoeksraad wordt erkend (LE130100146, DP160103008). JAG wordt ondersteund via een Australian Postgraduate Award, en DRM door een ARC Future Fellowship (FT130100214). We danken Nikos Kopidakis voor nuttige discussies.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Hellmanex III detergent	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=nl®ion=AU	Z805939	Corrosiefd en giftig. Zie SDS.
Lead(II) iodide (99%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=nl®ion=AU	211168	Giftig. Zie SDS.
Anhydrous dimethylformamide (99.8%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=nl®ion=AU	227056	Giftig. Zie SDS.
Anhydrous dimethylsulfoxide (99.9%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=nl®ion=AU	276855	Giftig. Zie SDS.
Anhydrous 2-Propanol (99.5%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=nl®ion=AU&gclid= COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q	278475
Methylammonium iodide	Dyesol www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html	MS101000	Ook verkocht door Sigma Aldrich
Poly(methyl methacrylate)	Sigma Aldrich	445746
Anhydrous chlorobenzene (99.8%)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=nl®ion=AU	284513	Giftig. Zie SDS.
Equipment	Bedrijf	Model	Opmerkingen/Beschrijving
UV-VIS-NIR spectrofotometer	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
Afleesbare golflengtelaser	Opotek www.opotek.com/product/opolette-355	Opolette 355
Neutrale dichtheidsfilters	Thorlabs www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193	NUK01
Vermogensmeter	Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D	PM100D
Vermogenssensor	Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C	S401C
Holle	Op maat gebouwd		De holte die voor dit experiment werd gebruikt, is ontworpen en in huis gebouwd.

Referenties

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. Jr, 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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Recombinatie Dynamiek in dunne-film Photovoltaic Materials via Tijdopgeloste Magnetron geleidbaarheid

In dit artikel

Samenvatting

Samenvatting

Inleiding

Protocol

Resultaten

Discussie

Openbaarmakingen

Dankbetuigingen

Materialen

Referenties

Herprints en machtigingen

Tags