A Time Resolved Microwave Conductivity technique for investigating direct and trap-mediated recombination dynamics and determining carrier mobilities of thin film semiconductors is presented here.
En metode for å undersøke rekombinasjon dynamikk foto-indusert ladningsbærere i tynnfilm halvledere, spesielt i fotovoltaiske materialer som organo-bly halogen perovskitter er presentert. Perovskitt filmtykkelse og absorpsjon koeffisient er i utgangspunktet preget av profilometri og UV-VIS absorpsjon spektroskopi. Kalibrering av både lasereffekten og hulrom følsomhet er beskrevet i detalj. En protokoll for å utføre Flash-fotolyse tidsoppløste Mikrobølgeovn Ledningsevne (TRMC) eksperimenter, en ikke-kontaktmetode for bestemmelse av ledningsevnen av et materiale, er presentert. En fremgangsmåte for å identifisere de reelle og imaginære komponenter av den komplekse ledningsevnen ved å utføre TRMC som en funksjon av mikrobølgefrekvens er gitt. Charge bære dynamikk bestemmes under ulike eksitasjon regimer (inkludert både strøm og bølgelengde). Teknikker for å skille mellom direkte og felle-mediert forfall prosesser blir presentert og diskutert.Resultatene er modellert og tolket med henvisning til en generell kinetisk modell av fotoindusert ladningsbærere i en halvleder. Teknikkene som er beskrevet kan anvendes på et bredt spekter av optoelektroniske materialer, blant annet organiske og uorganiske fotoelektriske materialer, nanopartikler, og gjennomfører / halvledende tynne filmer.
Flash-fotolyse tids løst mikrobølgeovn konduktivitet (FP-TRMC) overvåker dynamikken i foto spent ladningsbærere på NS-uS tidsskala, noe som gjør det til et ideelt verktøy for å undersøke kostnad bære rekombinasjonsprosesser. Forstå forfallet mekanismene for foto indusert ladningsbærere i tynn film halvledere er av sentral betydning i en rekke applikasjoner, inkludert photovoltaic enhet optimalisering. De induserte bære levetid er ofte funksjoner av indusert transportøren tetthet, eksitasjon bølgelengde, mobilitet, felle tetthet og fangst rate. Denne artikkelen viser allsidigheten Time Løst Mikrobølgeovn konduktivitet (TRMC) teknikk for å undersøke et bredt spekter av bære dynamiske avhengigheter (intensitet, bølgelengde, mikrobølgeovn frekvens) og deres tolkninger.
Fotogenererte kostnader kan endre både den virkelige og imaginære delene av dielektrisitetskonstanten for et materiale som, avhengig av deres mobilitet og degre e av innesperring / lokalisering 1. Ledningsevnen av et material er proporsjonal med den komplekse dielektrisitetskonstanten
hvor er frekvensen av en mikrobølge elektrisk felt, og er de reelle og imaginære deler av den dielektriske konstant. Dermed er den reelle delen av ledningsevnen relatert til den imaginære delen av dielektrisitetskonstanten, og kan kartlegges på mikrobølge absorpsjon, mens den imaginære del av ledningsevnen (i det følgende referert til som polarisering) er knyttet til en forskyvning av resonansfrekvensen av mikrobølgeovn felt 1.
t "> TRMC tilbyr flere fordeler i forhold til andre teknikker. For eksempel, DC Photoconductivity målinger lider av en rekke komplikasjoner som oppstår fra kontakt med materialet med elektrodene. Forbedret rekombinasjon ved elektrode / materialet grensesnitt, tilbake injeksjon av ladninger gjennom dette grensesnittet, såvel som forbedret dissosiasjon av excitons og geminate parene på grunn av den påtrykte spenningen to alle føre til skjevheter i de målte bære mobiliteter og levetid. i motsetning til dette er TRMC en elektrodeløs teknikk som måler den indre mobiliteten av bærerne uten forvrengninger som skyldes lade overføring over kontaktene .En vesentlig fordel med å bruke mikrobølgeeffekt som en sonde for carrier dynamikk er at, i tillegg til overvåking av forfallet levetid på ladningsbærere, forfallet mekanismer / veier kan også bli undersøkt.
TRMC kan brukes til å bestemme det totale mobilitet 3 og livettiden 4 av indusert ladningsbærere. Disse parametrene kan deretter brukes til å skille mellom direkte og felle-mediert rekombinasjon mekanismer 3, 5. Avhengigheten av disse to separate svekkings trasé kan kvantitativt analyseres som en funksjon av bære tetthet 3, 5 og eksitasjonsenergi / bølgelengde 5. Lokalisering / innesperring av induserte bærere kan undersøkes ved å sammenligne forfallet av ledningsevne vs polarizability 5 (imaginær vs reell del av dielektrisk konstant).
I tillegg, og kanskje viktigst, TRMC kan brukes til å karakterisere felle stater som opptrer som ladningsbærere forfall veier. Overflate feller, for eksempel, kan skilles fra bulk feller ved å sammenligne passivated vs unpassivated prøver 6. Sub-bandgap stater kanvære direkte undersøkt ved hjelp av sub-bandgap eksitasjon energier 5. Trap tettheter kan utledes ved å montere TRMC data 7.
På grunn av allsidigheten av denne teknikken, har TRMC blitt anvendt for å studere et bredt spekter av materialer, inkludert: tradisjonelle tynnfilm halvledere slik som silisium 6, 8 og TiO 2 9, 10, nanopartikler 11, nanorør 1, organiske halvledere 12, materialblandinger 13, 14, og hybrid fotovoltaiske materialer 3, 4, 5.
For å oppnå kvantitativ informasjon ved hjelp av TRMC, er det viktig å være i stand til å nøyaktig bestemme antallav absorbert fotoner for en gitt optisk eksitasjon. Siden metoder for å kvantifisere absorpsjon av tynne filmer, nanopartikler, løsninger og ugjennomsiktig prøver forskjellig, blir prøveopparbeidelse og kalibrerings teknikkene som presenteres her er utformet spesielt for tynne filmprøver. Imidlertid er TRMC måleprotokollen presentert veldig generelt.
Mens TRMC teknikken kan tilby et vell av informasjon om fotoindusert kostnad bære dynamikk, er dette en indirekte måling av konduktivitet, og derfor omsorg må tas når man skal tolke resultatene. Den TRMC Teknikken måler total mobilitet, og kan ikke brukes til å skille mellom elektron og hull mobilitet. Den underliggende antagelse at ledningsevnen er proporsjonal endring i reflektert effekt holder bare når det endringen er liten (<5%) 16. Videre, hvis forskyvning i resonansfrekvens i lø…
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgment is made to the Australian Research Council (LE130100146, DP160103008). JAG is supported via an Australian Postgraduate Award, and DRM by an ARC Future Fellowship (FT130100214). We thank Nikos Kopidakis for helpful discussions.
Hellmanex III detergent | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en®ion=AU |
Z805939 | Corrosive and toxic. See SDS. |
Lead (II) iodide (99%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en®ion=AU |
211168 | Toxic. See SDS |
Anhydrous dimethylformamide (99.8%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en®ion=AU |
227056 | Toxic. See SDS |
Anhydrous dimethylsulfoxide (99.9%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en®ion=AU |
276855 | Toxic. See SDS |
Anhydrous 2-Propanol (99.5%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en®ion=AU&gclid= COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q |
278475 | |
Methylammonium iodide | Dyesol www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html |
MS101000 | Also sold by Sigma Aldrich |
Poly(methyl methacrylate) | Sigma Aldrich | 445746 | |
Anhydrous chlorobenzene (99.8%) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en®ion=AU |
284513 | Toxic. See SDS |
Equipment | Company | Model | Comments/Description |
UV-VIS-NIR spectrophotometer | Perkin-Elmer | Lambda 900 | |
Profilometer | Veeco | Dektak 150 | |
Vector Network Analyzer | Keysight www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&lc=eng |
Fieldfox N9918A | |
Tunable wavelength laser | Opotek www.opotek.com/product/opolette-355 |
Opolette 355 | |
Neutral density filters | Thorlabs www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193 |
NUK01 | |
Power meter | Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D |
PM100D | |
Power sensor | Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C |
S401C | |
Cavity | Custom built | The cavity used in for this experiment was designed and built in-house. |