Name: Dynamika rekombinacji w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych za pomocą czasowo-rozdzielczego przewodnictwa mikrofalowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 30 s
Description: Poznaj metodę TRMC do badania dynamiki rekombinacji nośników ładunku w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych, w tym perowskitach. Technika bezkontaktowa pozwala wyznaczyć czas życia nośników i gęstość pułapek bez elektrod.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Podziękowanie kierujemy do Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych (LE130100146, DP160103008). JAG jest wspierany przez Australian Postgraduate Award, a DRM przez ARC Future Fellowship (FT130100214). Dziękujemy Nikosowi Kopidakisowi za pomocne dyskusje.

<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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Choć technika TRMC może dostarczyć bogatej wiedzy na temat dynamiki nośników ładunku indukowanych fotoelektronicznie, jest to pośredni pomiar przewodnictwa, dlatego interpretacja wyników wymaga ostrożności. Technika TRMC mierzy całkowitą ruchliwość i nie może być stosowana do rozróżnienia ruchliwości elektronów i dziur. Podstawowe założenie, że przewodnictwo jest proporcjonalne do zmiany mocy odbitej, jest spełnione tylko wtedy, gdy zmiana ta jest niewielka (&lt; 5%)16. Ponadto, jeśli przesunięcie...

Metoda fotolizy błyskowej z rozdzielczością czasową w pomiarach przewodnictwa mikrofalowego (FP-TRMC) pozwala na monitorowanie dynamiki fotoeksytowanych nośników ładunku w skali czasowej ns-µs, co czyni ją idealnym narzędziem do badania procesów rekombinacji nośników ładunku. Zrozumienie mechanizmów zaniku fotoindukowanych nośników ładunku w półprzewodnikowych cienkich warstwach ma kluczowe znaczenie w wielu zastosowaniach, w tym w optymalizacji urządzeń fotowoltaicznych. Czas życia indukowanych nośników jest często funkcją gęstości indukowanych nośników, długości fali wzbudzenia, ruchliwości, gęstości pułapek oraz szybkości pułapkowania. Niniejsza praca demonstruje wszechstronność techniki przewodnictwa mikrofalowego z rozdzielczością czasową (TRMC) w badaniu szerokiego zakresu zależności dynamiki nośników (intensywność, długość fali, częstotliwość mikrofalowa) oraz ich interpretacji.
Ładunki fotogenerowane mogą modyfikować zarówno część rzeczywistą, jak i urojoną stałej dielektrycznej materiału, w zależności od ich ruchliwości oraz stopnia uwięzienia/lokalizacji1. Przewodność materiału <img alt="równowaga statyczna, σ, równanie, koncepcja fizyczna, formuła, edukacja, suma wektorowa, analiza równowagi" src="/files/ftp_upload/55232/55232eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie"> jest proporcjonalna do jego zespolonej stałej dielektrycznej
<img alt="Równanie przewodnictwa, σ=ε₀ω(iε' + ε''), schemat analizy materiałów dielektrycznych." src="/files/ftp_upload/55232/55232eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie">
gdzie <img alt="Symbol częstotliwości kątowej ω, używany w równaniach i wzorach, istotny w edukacji z zakresu fizyki." src="/files/ftp_upload/55232/55232eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie"> to częstotliwość mikrofalowego pola elektrycznego, a <img alt="Równowaga statyczna, symbol ε′, reprezentuje pojęcie przenikalności w równaniach nauki o materiałach." src="/files/ftp_upload/55232/55232eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie"> oraz <img alt="Symbol przenikalności (ε'') używany w równaniach równowagi statycznej i schematach analizy materiałowej." src="/files/ftp_upload/55232/55232eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie"> to rzeczywista i urojona część stałej dielektrycznej. Zatem rzeczywista część przewodnictwa jest powiązana z urojoną częścią stałej dielektrycznej i może być odwzorowana na absorpcję mikrofal, podczas gdy urojona część przewodnictwa (zwana dalej polaryzacją) jest powiązana z przesunięciem częstotliwości rezonansowej pola mikrofalowego1.
Metoda TRMC oferuje kilka zalet w porównaniu z innymi technikami. Na przykład pomiary fotoprzewodności DC są obarczone szeregiem komplikacji wynikających z kontaktu materiału z elektrodami. Zwiększona rekombinacja na granicy faz elektroda/materiał, wsteczna injekcja ładunków przez ten interfejs, a także wzmocniona dysocjacja ekscytonów i par geminalnych pod wpływem przyłożonego napięcia2 prowadzą do zniekształceń w pomiarach ruchliwości i czasów życia nośników. W przeciwieństwie do nich, TRMC jest techniką bezelektrodową, która mierzy wewnętrzną ruchliwość nośników bez zniekształceń wynikających z transferu ładunku przez kontakty.
Istotną zaletą wykorzystania mocy mikrofalowej jako sondy do badania dynamiki nośników jest fakt, że obok monitorowania czasów zaniku nośników ładunku, można również badać mechanizmy i ścieżki ich zaniku.
Metodę TRMC można wykorzystać do wyznaczenia całkowitej ruchliwości3 oraz czasu życia4 indukowanych nośników ładunku. Parametry te mogą być następnie użyte do rozróżnienia między bezpośrednimi a pułapkowymi mechanizmami rekombinacji3,5. Zależność tych dwóch oddzielnych dróg zaniku można analizować ilościowo jako funkcję gęstości nośników3,5 oraz energii/długości fali wzbudzenia5. Lokalizację/uwięzienie indukowanych nośników można badać poprzez porównanie zaniku przewodnictwa w stosunku do polaryzowalności5 (części urojonej i rzeczywistej stałej dielektrycznej).
Dodatkowo, a być może najważniejsze, TRMC można wykorzystać do charakteryzacji stanów pułapkowych, które pełnią rolę ścieżek zaniku nośników ładunku. Pułapki powierzchniowe można na przykład odróżnić od pułapek objętościowych poprzez porównanie próbek pasywowanych i niepasywowanych6. Stany podprzerwowe można badać bezpośrednio, stosując energie wzbudzenia poniżej przerwy energetycznej5. Gęstość pułapek można wyznaczyć poprzez dopasowanie danych TRMC7.
Ze względu na wszechstronność tej techniki, TRMC stosuje się do badania szerokiej gamy materiałów, w tym: tradycyjnych półprzewodników cienkowarstwowych, takich jak krzem6,8 i TiO29,10, nanocząstek11, nanorurek1, półprzewodników organicznych12, mieszanek materiałowych13,14 oraz hybrydowych materiałów fotowoltaicznych3,4,5.
Aby uzyskać informacje ilościowe za pomocą TRMC, kluczowe jest dokładne określenie liczby pochłoniętych fotonów dla danego wzbudzenia optycznego. Ponieważ metody ilościowego oznaczania absorpcji cienkich warstw, nanocząsteczek, roztworów i próbek nieprzezroczystych różnią się od siebie, zaprezentowane tutaj techniki przygotowania próbek i kalibracji zostały opracowane specjalnie dla próbek w formie cienkich warstw. Niemniej jednak przedstawiony protokół pomiarowy TRMC ma charakter ogólny.

<table><tbody><tr><td>Detergent Hellmanex III</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en&region=AU Z805939</td><td></td><td>i toksyczny. Zobacz SDS.</td></tr><tr><td>Jodek ołowiu(II) (99%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en&region=AU</td><td>211168</td><td>toksyczny. Zobacz SDS.</td></tr><tr><td>Bezwodny dimetyloformamid (99,8%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en&region=AU</td><td>227056</td><td>Toksyczny. Zobacz SDS.</td></tr><tr><td>Bezwodny dimetylosulfotlenek (99,9%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en&region=AU</td><td>276855</td><td>Toksyczny. Zobacz SDS.</td></tr><tr><td>Bezwodny 2-propanol (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>Barwnik jodku metyloamonu</td><td><br/</td><td>> www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html MS101000</td><td>Sprzedawany również przez Sigma Aldrich</td></tr><tr><td>Poli(metakrylan metylu)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>445746</td><td></td></tr><tr><td>Bezwodny chlorobenzen (99,8%)</td><td>Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en&region=AU</td><td>284513</td><td>toksyczny. Zobacz SDS.</td></tr><tr><td>Sprzęt<</td><td>strong>Firma</td><td>Model</td><td>Komentarze/Opis</td></tr><tr><td>Spektrofotometr UV-VIS-NIR</td><td>Perkin-Elmer&nbsp;</td><td>Lambda 900</td><td></td></tr><tr><td>Profilometr</td><td>Veeco</td><td>Dektak 150</td><td></td></tr><tr><td>Wektorowy analizator sieci</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>Przestrajalny laser o długości fali</td><td>Opotek www.opotek.com/product/opolette-355</td><td>Opolette 355</td><td></td></tr><tr><td>Filtry o neutralnej gęstości</td><td>Thorlabs www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193</td><td>NUK01</td><td></td></tr><tr><td>Miernik mocy</td><td>Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D</td><td>PM100D Czujnik</td><td></td></tr><tr><td>mocy</td><td>Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C</td><td>S401C</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Cavity Zbudowany</td><td></td> <td>na zamówienieWnęka użyta w tym eksperymencie została zaprojektowana i zbudowana we własnym zakresie.</td></tr></tbody></table>

dynamika rekombinacji w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych za pomocą czasowo-rozdzielczego przewodnictwa mikrofalowego

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

Przedstawiono metodę badania dynamiki rekombinacji fotoindukowanych nośników ładunku w półprzewodnikach cienkowarstwowych, szczególnie w materiałach fotowoltaicznych, takich jak perowskity halogenkowe ołowiowe. Grubość warstwy perowskitu i współczynnik absorpcji są wstępnie charakteryzowane za pomocą profilometrii i spektroskopii absorpcyjnej UV-VIS. Szczegółowo opisano kalibrację zarówno mocy lasera, jak i czułości wnęki. Przedstawiono protokół wykonywania eksperymentów z przewodnością mikrofalową w czasie rozdzielczości (TRMC) w fotolizie błyskawicznej, czyli bezkontaktowej metody określania przewodności materiału. Podano proces identyfikacji rzeczywistych i urojonych składników zespolonej przewodności poprzez wykonanie TRMC w funkcji częstotliwości mikrofalowej. Dynamika nośnika ładunku jest określana w różnych reżimach wzbudzenia (w tym zarówno mocy, jak i długości fali). Przedstawiono i omówiono techniki rozróżniania procesów rozpadu bezpośredniego i zapokojonego przez pułapki. Wyniki są modelowane i interpretowane w odniesieniu do ogólnego modelu kinetycznego fotoindukowanych nośników ładunku w półprzewodniku. Opisane techniki mają zastosowanie do szerokiej gamy materiałów optoelektronicznych, w tym organicznych i nieorganicznych materiałów fotowoltaicznych, nanocząstek oraz cienkich warstw przewodzących/półprzewodnikowych.

Przedstawione tutaj reprezentatywne wyniki uzyskano z próbki cienkiej warstwy CH3NH3PbI3 o grubości 250 nm.
Dynamikę przewodnictwa <img alt='Wzór stanu równowagi statycznej symbol "σ(t)" dla naprężenia w czasie.' src="/files/ftp_upload/55232/55232eq54.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie"> można powiązać z dynamiką nośników ładunku <img alt="Równanie zależne od czasu dla stę...

Technika czasowo-rozdzielczej przewodnictwa mikrofalowego do badania dynamiki rekombinacji bezpośredniej i za pośrednictwem pułapki oraz określania ruchliwości nośników półprzewodników cienkowarstwowych jest tutaj prezentowana.

Dynamika rekombinacji w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych za pomocą czasowo-rozdzielczego przewodnictwa mikrofalowego

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

Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest wykorzystanie odbitej mocy mikrofalowej do pomiaru dynamiki rekombinacji fotoindukowanych nośników ładunku w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych. Metoda ta jest użyteczna w dziedzinie fotowoltaiki, ponieważ pozwala mierzyć zanik fotoindukowanych nośników ładunku poprzez stany pułapkowe oraz procesy rekombinacji pasmo-pasmo. Główną zaletą tej techniki jest to, że nie wymaga ona stosowania kontaktów elektrycznych z próbką.Oznacza to, że zmierzone czasy życia i przewodności nie są zniekształcone przez obecność katod. Najpierw należy zgromadzić niezbędne elementy do przeprowadzenia pomiarów, w tym przygotowaną próbkę pomiarową. Ta próbka perowskitu w formie cienkiej warstwy została scharakteryzowana, a wybrane zostały interesujące badacza długości fal.Oprócz próbki należy przygotować komorę mikrofalową, analizator sieciowy oraz laser. Próbka zostanie zamontowana w tej niestandardowej komorze mikrofalowej, która składa się z czterech skręconych ze sobą płytek ćwierćfalowych. Iris wprowadza mikrofale do komory, a port światłowodowy w zwarciu mikrofalowym zapewnia dostęp optyczny.Teflonowy uchwyt na próbkę zostaje wsunięty do wnęki. Dyfuzor zapewnia przestrzenną jednorodność światła padającego, natomiast śruba strojeniowa modyfikuje dobroć wnęki. Laser jest strojony w zakresie długości fal od widzialnych do podczerwonych.Wymagane mniejsze elementy optyczne obejmują pozaosiowy paraboliczny sprzęgacz lustrzany oraz filtry neutralne. Po ustawieniu pożądanej długości fali lasera skieruj wiązkę do sprzęgacza pozaosiowego. Użyj karty wiązki, aby sprawdzić wyrównanie z osią optyczną lustra.Plamka powinna wpadać do sprzęgacza w przybliżeniu w jego centrum. Następnie należy przygotować światłowód, który zostanie ostatecznie sprzężony z wnęką. Jeden koniec światłowodu należy podłączyć do sprzęgacza światłowodowego.Podłącz drugi koniec do czujnika mocy i miernika. Użyj niskiej mocy lasera i rozpocznij monitorowanie sygnału wyjściowego z włókna, regulując sprzęgacz światłowodowy. Dostosuj kąt nachylenia sprzęgacza w celu maksymalizacji sprzężenia do włókna.Należy kontynuować monitorowanie watomierza i zatrzymać się, gdy zarejestruje on maksymalną moc. Regulację kąta nachylenia sprzęgała należy przeprowadzać powoli, uważając, aby niczego nie potrącić. Optymalizację sprzężenia należy przeprowadzić poprzez stopniowe zwiększanie mocy lasera i dalszą regulację orientacji sprzęgała.Aby określić współczynnik strat wnęki, należy porównać moc lasera wyjściową z włókna z mocą padającą na próbkę. Najpierw włącz laser i zmierz moc wyjściową z włókna. Następnie przygotuj wnękę, aby zmierzyć moc w położeniu próbki.Ponieważ wnęka składa się z płytek ćwierćfalowych, należy ją rozłożyć, aby uzyskać dostęp do miejsca umieszczenia próbki. Po rozłożeniu w miejscu próbki, gdzie pole elektryczne jest maksymalne, należy umieścić maskę o rozmiarze uchwytu. Za maską należy ustawić miernik mocy, aby zmierzyć moc w miejscu próbki.Teraz podłącz sprzężone światłowody do wnęki. Zmierz moc w pozycji próbki dla wybranej długości fali. Następnie odłącz światłowód, usuń czujnik mocy oraz maskę z pozycji próbki i ponownie złóż wnękę, aby przygotować ją do kolejnych etapów.Uchwyt próbki został zaprojektowany tak, aby centrować próbkę w otwowie. Umieść próbkę w uchwycie. Upewnij się, że uchwyt próbki jest skierowany w stronę portu wejściowego lasera.Włóż uchwyt próbki do wnęki. Kalibracja czułości wnęki wymaga zastosowania analizatora sieciowego i cyrkulatora. Podłącz port pierwszy analizatora sieciowego do portu wejściowego pierwszego cyrkulatora.Podłącz port drugi cyrkulatora do sprzęgacza mikrofalowego wnęki. Każde promieniowanie odbite od próbki opuści cyrkulator portem trzecim. Podłącz ten port również do portu analizatora sieci.Następnie należy użyć analizatora sieci do przeprowadzenia pomiaru S21 dwuportowego w celu określenia mocy odbitej. Należy ponownie wycentrować wyświetlacz na częstotliwości rezonansowej pustej wnęki, która dla tej wnęki wynosi około 6.5 gigahertz. Następnie należy ustawić rozpiętość częstotliwości wyświetlacza na jeden gigahertz.Zlokalizuj i zaznacz częstotliwość rezonansową obciążonego rezonatora, a następnie wycentruj ją. Na koniec powiększ widok przed zarejestrowaniem krzywej rezonansowej. Teraz rozpocznij strojenie dobroci rezonatora.Aby to zrobić, należy wyregulować śrubę strojeniową wnęki. Obserwuj krzywą rezonansową, aby zoptymalizować dobroć. Optymalna dobroć jest często kompromisem pomiędzy rozdzielczością czasową a dokładnością pomiaru.Współczynnik czułości wnęki można obliczyć z krzywej rezonansowej obciążonej wnęki. Kolejnym krokiem jest konfiguracja pomiaru czasowo rozdzielczej przewodności mikrofalowej, czyli TRMC. Należy nastroić laser na jedną z interesujących nas długości fal i ustawić moc wyjściową na maksimum.Następnie należy użyć czujnika mocy, aby zmierzyć moc lasera przenoszoną przez światłowód. Wyjmij światłowód z czujnika mocy, a następnie podłącz go do wejścia optycznego wnęki. Na drugim końcu wnęki analizator sieciowy i cyrkulator pozostają podłączone tak samo, jak podczas kalibracji czułości wnęki.Analizator znajduje się obecnie w trybie przejściowym, a poniższy schemat wyjaśnia nowe funkcje portów analizatora sieci. Port pierwszy pełni rolę źródła mikrofalowego. Port drugi jest detektorem.Wejście lasera nie zostało naniesione na schemat, a wzmacniacz przedstawiony na schemacie jest zintegrowany z analizatorem sieciowym. Popularna alternatywna konfiguracja wykorzystuje diodę mikrofalową w oscyloskopie jako detektor. Obecnie należy pracować z analizatorem sieciowym.Włącz detekcję stanów przejściowych, ustawiając rozpiętość częstotliwości analizatora sieci na zero. Ustaw częstotliwość pomiarową na wcześniej zmierzoną częstotliwość rezonansową obciążonej wnęki. Następnie skonfiguruj źródło mikrofalowe.Ustaw częstotliwość źródła mikrofalowego na częstotliwość pomiarową, a moc wyjściową na 0 dBm. Następnie skonfiguruj laser tak, aby wyzwalał analizator sieciowy. Podłącz wyjście wyzwalacza lasera do analizatora sieciowego.Włącz wyzwalacz zewnętrzny i wyznacz przesunięcie wyzwalacza (trigger offset) w taki sposób, aby uchwycić narastanie sygnału wraz z kilkoma mikrosekundami sygnału ciemnego przed impulsem lasera. Na koniec dostosuj bazę czasową analizatora tak, aby przejściowy ogon sygnału był znacznie dłuższy niż początkowy spadek. Zarejestruj otrzymany ślad czasowo rozdzielczej przewodności mikrofalowej.Po ustaleniu optymalnych parametrów należy wykorzystać je do automatyzacji pomiarów czasowo rozdzielczej przewodności mikrofalowej (TRMC). Aby zebrać dane dotyczące przewodności zespolonej, należy powtórzyć ten pomiar przy różnych częstotliwościach mikrofalowych. Zakres skanowania częstotliwości należy wybrać na podstawie analizy krzywej rezonansowej wnęki, wybierając kilka częstotliwości obejmujących całą krzywą.Użyj analizatora sieci, aby ustawić częstotliwość pomiarową na pierwszą częstotliwość w zakresie skanowania. Dostrój częstotliwość źródła do częstotliwości pomiarowej. Wykorzystaj wcześniej wyznaczone optymalne parametry pomiarowe w celu uzyskania śladu TRMC.Z tego sygnału przejściowego odjęto tło. Powtórz ten pomiar dla każdej wybranej częstotliwości. Aby uzyskać dane TRMC zależne od natężenia, zacznij od nastrojenia lasera na interesującą długość fali przy maksymalnej mocy.Wyjmij światłowód z wnęki i zmierz moc transmitowaną przez światłowód. Przed kontynuacją ponownie podłącz światłowód do wnęki. Rozpocznij automatyczne gromadzenie danych, wprowadzając parametry eksperymentalne.Włącz laser. Uzyskaj przejściową średnią z co najmniej 100 przebiegów, aby uwzględnić wahania mocy lasera między poszczególnymi impulsami. Po ustaleniu tej wartości wyłącz laser.Przed ponownym włączeniem lasera umieść filtr neutralnoprzepuszczalny pomiędzy dwiema przysłonami na drodze wiązki. Powtórz etapy pomiarowe dla tej konfiguracji, stosując różne filtry neutralnoprzepuszczalne. W idealnym przypadku pomiary powinny obejmować zakres mocy rozpięty na dwa rzędy wielkości.Ten wykres w skali logarytmicznej przedstawia dopasowanie danych z pomiarów czasowo rozdzielczej przewodności mikrofalowej z wykorzystaniem modelu kinetycznego splotowanego z gaussowską funkcją odpowiedzi instrumentu. Dzięki dopasowaniu możliwe jest określenie czasów życia nośników i gęstości pułapek oraz charakterystyka procesów rekombinacji bezpośredniej i pośredniej (poprzez pułapki). Każda krzywa na tym wykresie odpowiada przemijającej przewodności przy natężeniu wzbudzenia od 10¹² do 10¹⁴ obserwowanych protonów na centymetr kwadratowy.Intensywności zmieniano za pomocą filtrów neutralnych. Dane dotyczące przewodnictwa przejściowego pozwalają na wyznaczenie zależności całkowitej ruchliwości nośników od natężenia. Długość fali wzbudzenia dla tych danych wynosi 530 nanometrów.Przedstawione przebiegi obrazują dekonstrukcję sygnału TRMC na wkłady pochodzące od rzeczywistej i urojonej części przewodnictwa. Czerwone linie odpowiadają danym pomiarowym zebranym przy częstotliwości rezonansowej wnęki w stanie ciemnym. Zielona linia przedstawia zanik rzeczywistej części przewodnictwa. zanik polaryzacji przedstawiono na niebiesko. Niebieski ogon zaniku polaryzacji jest znacznie mniejszy niż zielony ogon przewodnictwa. Jest to zgodne z mechanizmem zaniku poprzez zlokalizowane stany pułapkowe.Po opanowaniu techniki, każdy pomiar TRMC można przeprowadzić w ciągu kilku minut. Podczas wykonywania tych eksperymentów ważne jest prawidłowe zapisanie wszystkich ustawień mocy lasera, w tym mocy wyjściowej z włókna, długości fali oraz wszelkich zastosowanych filtrów neutralnych. Pomiary fotoluminescencji w dziedzinie czasu mogą być stosowane w połączeniu z pomiarami TRMC w celu oddzielenia bezpośrednich ścieżek rekombinacji od połączonych procesów rekombinacji mierzonych za pomocą TRMC.Technika ta utorowała drogę do badania procesów rekombinacji nośników ładunku w szerokim zakresie materiałów półprzewodnikowych, w tym w cienkowarstwowych sensybilizatorach fotowoltaicznych, nanorurkach węglowych i nanocząsteczkach dwutlenku tytanu. Należy pamiętać, że praca z laserami o wysokiej mocy może być niezwykle niebezpieczna, dlatego zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak osłanianie wiązki laserowej i noszenie odpowiednich okularów ochronnych.

recombination-dynamics-thin-film-photovoltaic-materials-via-time

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Organiczne materiały fotowoltaiczne (OPV) są z natury niejednorodne w skali nanometrów. Niejednorodność materiałów OPV w nanoskali wpływa na wydajność urządzeń fotowoltaicznych. W artykule opisano protokół pomiarów ilościowych właściwości elektrycznych i mechanicznych materiałów OPV o rozdzielczości poniżej 100 nm.

Równoczesne ilościowe pomiary przewodności i właściwości mechanicznych organicznych materiałów fotowoltaicznych za pomocą AFM

Poczyniono postępy w wykorzystaniu rozpraszania częstości występowania echa spinowego (SERGIS) jako techniki rozpraszania neutronów do badania skal długości w próbkach o nieregularnym charakterze. Krystality estru metylowego kwasu [6,6]-fenylo-C61-masłowego przebadano techniką SERGIS, a wyniki potwierdzono mikroskopią sił optycznych i atomowych.

Wykorzystanie neutronowego echa spinowego do rozwiązania problemu rozpraszania padania w celu zbadania organicznych materiałów ogniw słonecznych

Nieuporządkowane struktury oferują nowe mechanizmy tworzenia fotonicznych pasm wzbronionych i niespotykaną dotąd swobodę w projektach funkcjonalnych defektów. Aby obejść wyzwania obliczeniowe związane z nieuporządkowanymi systemami, konstruujemy modułowe próbki makroskopowe nowej klasy materiałów PBG i wykorzystujemy mikrofale do scharakteryzowania ich niezmiennych właściwości fotonicznych w łatwy i niedrogi sposób.

Wykorzystanie mikrofalowych i makroskopowych próbek dielektrycznych ciał stałych do badania właściwości fotonicznych nieuporządkowanych materiałów fotonicznych wzbronionych

Siarczek cyny (SnS) jest materiałem kandydującym na nietoksyczne ogniwa słoneczne występujące w dużych ilościach na Ziemi. Tutaj demonstrujemy procedurę wytwarzania ogniw słonecznych SnS wykorzystującą osadzanie warstw atomowych, które daje 4,36% certyfikowaną sprawność konwersji energii, oraz parowanie termiczne, które daje 3,88%.

Wytwarzanie rekordowo wydajnych ogniw słonecznych SnS metodą termicznego odparowywania i osadzania warstw atomowych

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania organicznych cienkich warstw ogniw słonecznych za pomocą powlekarki z matrycą mini-szczelinową oraz powiązane charakterystyki struktury w linii produkcyjnej za pomocą technik rozpraszania synchrotronowego.

Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Optyczne, elektryczne i strukturalne właściwości dyslokacji i granic ziaren w materiałach półprzewodnikowych można określić za pomocą eksperymentów przeprowadzonych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Mikroskopia elektronowa została wykorzystana do zbadania katodoluminescencji, prądu indukowanego wiązką elektronów i dyfrakcji elektronów rozproszonych wstecznie.

Kompleksowa charakterystyka rozszerzonych defektów w materiałach półprzewodnikowych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego

Przedstawiono protokół pomiaru przewodnictwa elektrycznego żywych biofilmów mikrobiologicznych w fizjologicznie istotnych warunkach.

Charakterystyka transportu elektronów przez żywe biofilmy

Prezentujemy obszerne badanie na temat efektów różnych metod wytwarzania organicznych/nieorganicznych cienkich warstw perowskitu, porównując struktury krystaliczne, gęstość stanów, poziomy energii i ostatecznie wydajność ogniw słonecznych.

Wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na tworzenie filmu, strukturę elektronową i wydajność ogniw słonecznych

Jako jeden z ważnych parametrów fizycznych w półprzewodnikach, żywotność nośnika jest tutaj mierzona za pomocą protokołu wykorzystującego metodę mikrofalowego rozpadu fotoprzewodnictwa.

Pomiary żywotności nośników w półprzewodnikach metodą rozpadu fotoprzewodnictwa mikrofalowego

Ten artykuł jest demonstracją i wskazówką do przeprowadzenia i analizy wewnętrznych (z laboratoryjnym przyrządem rentgenowskim) eksperymentów in situ GISAXS dotyczących suszenia farb na niefulerenowych organicznych fotowoltaikach z rolki na rolkę.

Częstość występowania in situ Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem na powłoce organicznych ogniw słonecznych z rolki na rolkę z laboratoryjnym oprzyrządowaniem rentgenowskim

Poznaj metodę TRMC do badania dynamiki rekombinacji nośników ładunku w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych, w tym perowskitach. Technika bezkontaktowa pozwala wyznaczyć czas życia nośników i gęstość pułapek bez elektrod.

Dynamika rekombinacji w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych za pomocą czasowo-rozdzielczego przewodnictwa mikrofalowego (Wideo) | JoVE Journal

Dynamika rekombinacji w cienkowarstwowych materiałach fotowoltaicznych za pomocą czasowo-rozdzielczego przewodnictwa mikrofalowego

Przeglądaj więcej filmów