Zaman çözülmesi Mikrodalga İletkenlik aracılığıyla İnce film Fotovoltaik Malzemeler rekombinasyon Dinamikleri

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

doi:10.3791/55232

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Zaman çözülmesi Mikrodalga İletkenlik aracılığıyla İnce film Fotovoltaik Malzemeler rekombinasyon Dinamikleri

11.3K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/55232

⸱

6 Mart 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

Bu makalede

Özet

Doğrudan ve tuzak aracılı rekombinasyon dinamiklerini araştırmak ve ince film yarı iletkenlerinin taşıyıcı hareketliliklerini belirlemek için Zaman Çözümlü Mikrodalga İletkenlik tekniği burada sunulmuştur.

Özet

özellikle bu tür organo-kurşun halojenür perovskitteki olarak fotovoltaik malzemelerin ince film yarıiletkenlerdeki fotoğraf kaynaklı yük taşıyıcıların rekombinasyon dinamiklerini araştırmak için bir yöntem sunulmuştur. perovskit film kalınlığına ve emme katsayısı, ilk profilometre ve UV-VIS emilim spektroskopisi ile karakterize edilir. lazer gücü ve kavite, her iki hassasiyet yoklaması ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Flaş fotoliz Zaman Çözümlemeli Mikrodalga İletkenlik (TRMC) deneyler için bir protokol, bir malzemenin iletkenliğini belirleyen bir temassız yöntem sunulmuştur. Mikrodalga, frekansın bir fonksiyonu olarak TRMC gerçekleştirerek karmaşık iletkenlik gerçek ve sanal bileşenlerini tanımlamak için bir yöntem verilmiştir. Yük taşıyıcı dinamiği (güç ve dalga boyu hem dahil) farklı uyarma rejimler altında belirlenir. doğrudan ve tuzak aracılı çürüme süreçleri arasında ayrım Teknikleri sunulmuş ve tartışılmıştır.Sonuçlar modellenmiş ve bir yarı iletken fotokimyasal yük taşıyıcıların genel kinetik modele atıfta bulunarak yorumlanır. tarif edilen teknikler organik ve inorganik fotovoltaik malzeme, nanopartiküller içeren optoelektronik malzeme, geniş bir yelpazede uygulanabilir ve ince filmler yarı iletken / iletken.

Giriş

Flash photolysis zamana bağımlı mikrodalga iletkenlik (FP-TRMC) o yük taşıyıcı rekombinasyon süreçleri araştırmak için ideal bir aracı yapma, ns-us zaman ölçeğinde fotoğraf heyecanlı yük taşıyıcılarının dinamiklerini izler. ince film yarıiletkenlerdeki fotoğraf kaynaklı yük taşıyıcıların çürüme mekanizmalarının anlaşılması fotovoltaik cihaz optimizasyonu da dahil olmak üzere uygulamalar, bir dizi kilit öneme sahiptir. kaynaklı taşıyıcı ömürleri genellikle kaynaklı taşıyıcı yoğunluğu, dalgaboyu, hareketlilik, tuzak yoğunluğu ve yakalama oranı fonksiyonları bulunmaktadır. Bu kağıt taşıyıcı dinamik bağımlılıkları (yoğunluk, dalga boyu, mikrodalga frekansı) ve yorumların geniş bir yelpazede soruşturma zamanı Çözülmüş Mikrodalga İletkenlik (TRMC) tekniğinin çok yönlülüğünü gösteriyor.

Işıkla ücretleri kendi hareketlilik ve Degre bağlı gerçek ve bir malzemenin dielektrik sabiti hayali parçaları hem değiştirebilir hapsi / yerelleşme ¹ e. Bir malzemenin iletkenliği figure-introduction-1 karmaşık dielektrik sabiti ile doğru orantılıdır

figure-introduction-2

nerede figure-introduction-3 Mikrodalga elektrik alanının frekansı, figure-introduction-4 ve figure-introduction-5 dielektrik sabiti gerçek ve sanal kısımları vardır. Bu durumda, iletkenlik, gerçek kısmı dielektrik sabiti hayali bölümü ile ilgilidir, ve iletkenlik (daha sonra kutuplaşma olarak anılacaktır) hayali bölümü rezonans frekansında bir değişim ile ilişkili ise, mikrodalga emme üzerine eşlenebilir mikrodalga alanının ^1.

t "> TRMC diğer tekniklere göre çeşitli avantajlar sunuyor. Örneğin, DC fotoiletkenlik ölçümleri elektrotlar ile malzeme temas kaynaklanan. Geliştirilmiş rekombinasyon elektrot / malzeme arayüzünde, geri ücretleri enjeksiyon bu arayüz üzerinden komplikasyonların bir dizi muzdarip, hem de eksitonlar ve geminate çiftleri gelişmiş ayrışma itibariyle vadesi uygulanan voltaja ² ölçülen taşıyıcı hareketlilik ve yaşamlar çarpıklıklara yol açarlar. Buna karşılık için, TRMC kişileri arasında transferini şarj nedeniyle Sapmayan taşıyıcıların içsel hareketliliği ölçen bir electrodeless tekniktir .

Taşıyıcı dinamikleri için bir prob olarak mikrodalga gücünü kullanarak önemli bir avantajı da yük taşıyıcılar, çürüme mekanizmalarının bozunma ömürleri izlenmesi olarak / yollar da incelenebilir olmasıdır.

TRMC toplam hareket ³ ve ömrünü belirlemek için kullanılabilirindüklenmiş yük taşıyıcıların süresi ^4. Bu parametreler daha sonra, doğrudan ve tuzak aracılı rekombinasyon mekanizmaları ^{^3,} ⁵ arasında ayırt etmek için kullanılabilir. Bu iki ayrı bozunma yollarının bağımlılığı kantitatif taşıyıcı yoğunluğu ^{^3,} ⁵ ve uyarım enerji / dalga boyu ⁵ bir fonksiyonu olarak analiz edilebilir. Kaynaklı taşıyıcıların yerelleştirme / lohusalık (dielektrik sabiti gerçek bir parçası vs hayali) kutuplanabilirlik ⁵ vs iletkenlik çürüme karşılaştırılarak incelenebilir.

Buna ek olarak, ve belki de en önemlisi, TRMC yük taşıyıcı bozunma yollar olarak hareket tuzak durumları karakterize etmek için kullanılabilir. Yüzey tuzakları, örneğin, unpassivated örneklerin ⁶ vs pasifize karşılaştırarak toplu tuzakları ayırt edilebilir. Alt bandaralıklı devletler candoğrudan alt bandaralıklı uyarma enerjileri ⁵ kullanılarak araştırılmalıdır. Tuzak yoğunlukları TRMC verileri ⁷ oturtulması ile çıkarılabilir.

, Nanotüpler ^1, organik yarı iletkenler ^12, maddi karışımları _gibi silikon ^{^6,} ⁸ ve _TiO2 ^{^9,} ¹⁰ gibi geleneksel ince film yarı iletkenler ¹¹ nanopartiküller: nedeniyle bu tekniğin çok yönlülük, TRMC gibi malzemelerin geniş bir yelpazede çalışma uygulanmıştır ^{^13,} ^14, ve hibrit fotovoltaik malzeme ^{^3,} ^{^4,} ^5.

TRMC kullanılarak niceliksel bilgileri elde etmek için, doğru bir sayı tespit edebilmek için çok önemlidirBelirli bir optik uyarma için fotonlar emilir. İnce filmlerin, nanopartiküller, çözeltiler ve opak numunelerin emme ölçülmesi için yöntemler, farklı olduğundan, burada sunulan örnek hazırlama ve kalibrasyon teknikleri ince film örnekleri için özel olarak tasarlanmıştır. Ancak, sunulan TRMC ölçüm protokolü çok genel.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Numune Hazırlama

Dikkat: Bu protokolde kullanılan bazı kimyasallar sağlığa zararlı olabilir. Herhangi bir numune hazırlama gerçekleşmeden önce ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formlarını danışın. Uygun kişisel koruyucu ekipman (laboratuvar mont, koruyucu gözlük, eldiven, vb) ve mühendislik kontrolleri (örneğin torpido gözü, davlumbaz, vb) perovskit öncüleri taşıma ve çözücüler yararlanın.

NOT: Bu bölümün amacı alt-tabaka üzerinde muntazam bir kalınlığının ince bir film meydana etmektir. Bu prosedür, örnek perovskit organo-kurşun halid özel olmakla birlikte, bu buhar çöktürme, sıkma kaplama ve püskürtme, vb önemli sonuç düzgün bir ince film de dahil olmak üzere örnekler ve örnek hazırlama teknikleri bir dizi için modifiye edilebilir.

substrat Temizleme
1. ultrasonik banyoda kuvars (veya düşük demir cam) alt tabaka yerleştirin30 dakika boyunca deterjan.
2. izopropanol ile daha sonra ultrasonik saf su ile tedavi ve tekrarlayın.
3. bir azot eldiven kutusu içine aktarmak için hemen önce, 30 dakika boyunca azot plazma altında suyla substratlar yerleştirin.
CH ₃ NH ₃ PBI ₃ interdifüzyon yöntemi ¹⁵ kullanarak Perovskite numune hazırlama
Not: Aşağıdaki adımlar azot torpido gözünün yapılmaktadır.
1. Bir örnek flakon PBI ₂ 461 mg ekleyin ve bir azot torpido gözüne aktarın.
2. karışık 85:15 DMF / DMSO çözücüsü ile ilgili susuz dimetilsülfoksit 150 uL (DMSO) susuz dimetilformamid 850 uL (DMF) ekleyin.
3. Çözücü DMF / DMSO PBI ₂ ekleyin ve PBI ₂ tamamen çözülene kadar manyetik bir karıştırıcı ile karıştırılır iken 100 ° C'de ısıtın.
4. 0.2 mikron PTFE ile PBI ₂ çözüm FiltreTemiz bir örnek şişesine filtre ve 100 ° C ocak dönün.
5. Susuz izopropanolde 50 mL _CH3 I _NH3, 50 mg eritin.
6. (Oda sıcaklığında) bir cam alt-tabaka üzerine sıcak PBI ₂ çözeltisi 80 ul dağıtmak ve 30 saniye ince PBI ₂ ön-madde bir film oluşturmak için hemen 5000 rpm'de döndürün.
7. PBI ₂ filmin merkezi üzerine ₃ NH ₃ kişi çözüm doğrudan CH 300 uL hacmi enjekte edilir ve hemen 30 saniye süreyle 5,000 rpm'de kaplamaz bu çözüm dönerler.
  Not: Bu adım _CH3 _NH3 I çözeltisinin bir tek emin dağıtımda ile yapılmalıdır. Bu ortaya çıkan filmin kalitesini etkiler olarak istenmeyen damlamaları önlemek için dikkatli olun.
8. ön-madde film perovskit yapıya kristalize şekilde 2 saat boyunca 100 ° C'de bir sıcak plaka üzerinde örnek yerleştirin. Elde edilen CH ₃ NH ₃ PBI ₃ filmi smo olmalıdırBir ayna gibi bir yüzeye sahip Oth, ve yaklaşık 250 nm kalınlık.
örnek kapsülleme
NOT: Bu adım, atmosferik bozulmalara uğradığı, numuneler için gereklidir.
1. 1 ml susuz klorobenzen içinde poli (metil metakrilat) (PMMA), 10 mg çözülür. Spin kat 30 s için 1000 rpm'de PMMA çözeltisi 50 ul örnek.

2. Örnek Karakterizasyon

Tedbir örnek kalınlığı
1. Bir arkadaşı numunesi üzerinde küçük bir çizgi etch. Bir profilometre kullanarak bu etch yakın yüzeyi tarayın. film kalınlığı L. belirleyin
  NOT: Örnek bir ışık ücretsiz (Alüminyum folyo kaplı örneğin) saklanmalıdır kullanıma hazır olana kadar oksijen içermeyen (örneğin azot) ortamında.
Absorpsiyon spektrumu ölçmek
NOT: Bu ölçümün ayrıntıları op vs gibi tozlar (numune bağlı olarak değişiryarı saydam filmler vs Aque filmleri). Aşağıdaki prosedür, yarı saydam ince film örnekleri için tasarlanmıştır. Bu bölümün amacı (bant-boşluğu, Eksitonik özellikleri, vb belirlemek gibi), ve _F, ilgi her dalga boyunda gelen fotonların vs emilen fotonların kesir hesaplamak için araştırmak için ilgi dalga boylarını tespit etmektir.
1. Uygun bir spektrofotometre numune tutucu örnek substratı (örneğin cam slayt) yerleştirin. Kayıt arka plan yansıma (R (λ)) ve geçirgenlik üreticinin talimatlarına göre (T (λ)) spektrumları. Not: BaO ₄ gibi yansıma standardı da doğru bir taban çizgisi elde etmek için kullanılabilir.
2. üreticinin talimatlarına uygun olarak (T (λ)) örnek ile alt-tabakanın takın ve yansıtma (R (λ)) ve transmitans kaydedin. Doğru spektrumları elde etmek için arka plan ölçümü çıkarın.
  NOT: opak numuneler için, olarakBir Küre eki ile pectrophotometer kullanılmalıdır. dağınık yansıtıcılık bölüm 2.2.1-2 olarak ölçülür, bununla birlikte örnek bir üreticinin talimatlarına göre, entegre kuresının arka kısmına yerleştirilmesi gerekir.
3. absorpsiyon katsayısı üzerinden hesaplayın:
  
  Not: d cm filmin kalınlığıdır.
4. aracılığıyla gelen fotonların vs absorbe sayısını hesaplayın
  
  NOT: emme katsayısı ve örnek kalınlığı L aynı birimler olduğundan emin olun.
5. muayene emilme tayfı ilgi dalga boylarında belirleyin. Bu bant kenarında ya da bant kuyruk optik geçişler veya dalga boylarını içerebilir. Bu dalga boylarında her birinde F _a dikkat edin.
  NOT: Aşağıdaki kalibrasyon işlemleri deney hemen önce yapılmalıdır.

3. Lazer Gücü Kalibrasyon

NOT: Bu bölümde, Şekil 3'te optik uyarma şemasına bakınız. Opos gibi ayarlanabilir dalga boyu lazerler her dalga boyunda kaplini gerektirir.

Çift bir fibere serbest uzay lazer
NOT: Mevcut lazer zaten fiber birleştiğinde ise, bu bölümü atlayın.
NOT: Off-eksenli parabolik ayna fiber kuplörler aynada tüm dalga boyları olay örnek noktasına odaklı, yani akromatik vardır. Bunun bir sonucu olarak, bir elyaf bir dalga boyunda boş alan lazer bağlanabilir ve her dalga boyunda ayarlamaları gerektirmez. Bu adım, herhangi bir başka ölçüm yapılmadan önce yapılmalıdır
NOT: Bir TRMC boşluğu ve boş alan lazer kullanarak optik kurulum tasarlamak mümkündür, doğru ve tekrarlanabilir emilen lazer gücünü karakterize biraz daha zor olabilir, ancak.
1. Üreticinin protokol gereği istenen değere (örneğin 750 nm) olay dalga boyu ayarlayın. Sabit dalga boyu lazer, bu adım gerekli değildir.
2. Görünür çapraz kirişler için lazer ışını profilini kontrol edin. Bu varsa, sadece merkezi Gauss ışın fiber coupler geçmek için izin süsen kullanın.
3. olay lazer ışını ayna optik ekseni ile aynı hizada olacak şekilde bir eksen dışı parabolik ayna lif kuplörünü hizalayın.
4. lif coupler ve bir güç sensörü fiber optik bağlayın. Fiber çekirdek daha büyük, daha fazla ışık elyaf halinde birleştirilebilir. A 1 mm çekirdek NA 0.48 lif etkili çalışıyor.
5. Fiber Kuplörün eğimini ve açısını ayarlarken güç sensörü ile fiber çıkış gücünü izleyerek düşük güçte fiber bağlantıyı en üst düzeye çıkarmak. Sensör tarafından ölçülen güç bir lo fiber bağlantı eğim açısı sonucu (yani herhangi bir ayar ekranı kaplamış optimum kavrama elde edilirwer güç ölçümü)
  Not: hizalama kötüyse, bu lifin dış kaplama zarar mümkündür. Bir tıkırtı sesi bir delik kaplama yandı olduğunu gösterir. Bu durumda, derhal lazer kapatın ve düşük güçte Kuplörün bir kaba hizalama işlemini yapın.
6. Yavaş yavaş lazer gücünü artırmak ve 3.1.5 gibi kaplin rafine.
Kavite kayıp faktörü ölçmek
Not: Bu bölüm, Bölüm 3.1'de ana hatları çizildiği elyaf bağlama işleminden sonra yapılmalıdır.
1. Uygun bir güç sensörü kullanarak fiberden geçirilen gücü ölçün. Bu ölçüm boşluğu içine elyaf bağlamadan önce gerçekleştirilir.
2. numunenin gücü ölçün. Kavite birlikte vidalı 4 çeyrek dalga plakaları oluşur, bu en kolay yoldur (Şekil 4). doğru ve tekrarlanabilir Bunu yapmak için, boşluğu sökerek numune bir maskeye numune tutucu boyutunu yerleştirinkonumlandırmak ve maske ile dedektör ulaşan lazer gücünü ölçün.
3. numune ölçülen güç tarafından fiber ölçülen lazer gücünü bölerek kavite kayıp faktörü hesaplayın. Bu ölçüm, hesap geometrik kayıplara yanı sıra kurulum uzadıya bileşenlere bağlı kayıplar dikkate alır.
4. ilgi her dalga boyu için bu ölçümü tekrarlayın.

4. Boşluklu içine Örnek Montaj

Numune kez eklenen boşluğunda merkezli şekilde tasarlanmış bir teflon numune tutucuya örnek, yerleştirin.
boşluğun optik giriş bakan ince bir film ile, maksimum elektrik alanı bir yerde boşluk içine numune tutucu yerleştirin. Şekil 4, boşluk ve numune tutucu ayrıntılı bir şemasını göstermektedir.

5. Boşluk Hassasiyet Kalibrasyon ¹⁴

NOT: Aşırı fotoğraf ücret oluşturulantaşıyıcılar örnek iletkenlik bir değişikliğe yol figure-protocol-3 Boşluğu yansıyan mikrodalga gücüyle bir azalma ile sonuçlanır ^(Sm-1) figure-protocol-4 . Iletkenlik ¹⁷ küçük değişiklikler için, mikrodalga güç değişim kavite duyarlılık faktörü üzerinden iletkenlik değişikliği ile orantılıdır figure-protocol-5 :
figure-protocol-6
iletkenliğindeki değişikliğin figure-protocol-7 Örnek toplu iletkenlikteki değişikliği ile ilgilidir ve figure-protocol-8 üzerinden figure-protocol-9
NOT: Bu kalibrasyon taşıyıcı hareketlilik şarj etmek için mikrodalga gücü dönüştürmek için gereklidir. amaç iseÇalışma dinamiklerini karşılaştırmak veya göreceli sonuçlar elde etmek için değildir, bu kalibrasyon gerekli değildir.
NOT: Bu bölümde, Şekil 5'te mikrodalga algılama kurulum bakın.

(Bir saptama diyot veya IQ modülasyon dedektör çıkış gibi) sadece algılama önce devredeki noktasına bir ağ analizörü sirkülasyon giriş portu bağlama 1. port 2 için bir ağ analizörü bağlantı noktası 1 bağlayın. Devresinin rezonans eğrisi elde etmek amacıyla, bir 2-bağlantı S21 ölçüm olarak (takılı örnek yani) yüklenen boşluğundan, yansıyan gücü ölçmek. ¹⁴
NOT: kavite dış mikrodalga algılama devresi ile eşleşti değilse, rezonans eğrisi devresinde kavite vs tek başına kavite için farklı olacaktır. Böylece, boşluktan bir liman yansıma ölçümü gibi değil rezonans ölçmek iyidir, ama doğrusu 2 bağlantı noktası olarak 'yansıma' ölçüm thrsirkülatör ough.
Not: rezonans frekansı esas olarak, kavite geometrisine göre belirlenir kullanılır. herhangi bir mikrodalga frekansı prensip olarak kullanılabilir, ancak TRMC için tipik rezonans frekansları, X bandında (~ 10 GHz) ve S-bandı (~ 34 GHz) bulunur. Bu yazıda, bir X-bant boşluğu ile karşılaştırıldığında daha geniş bir örneklem alanı sunarken benzer bir mikrodalga tepkisi sağlar 6.5 GHz, ~ bir rezonans frekansı ile bir boşluğu kullanın.
kalite faktörü optimize, , Rezonans dip gözlemleyerek ayar vidası ile boşluğun derin ve dar olur.
NOT: Q faktörünü en iyi duruma getirme mutlaka kavite tepki süresi Q faktörü hassasiyetini artırır artırırken Q maksimize anlamına gelmez da artar. Daha yüksek zamansal çözünürlük elde etmek için duyarlılığı azaltmak için tercih edilebilir. Eğer Q, bir bozuk güç ölçümü ile sonuçlanan büyük ise foto indüklemeli yük taşıyıcıları önemli ölçüde malzemenin dielektrik sabitine ve değişiklikler rezonans frekansı, geçici boşluk bant dışında kayabilir. Bu gibi durumlarda, hafif rezonatör aşırı kuplajdan yansıyan gücün doğruluğunu geliştirmek olabilir.
Ölçüm ve bölüm 5.1.1 tarif edildiği gibi bir ağ analizörü kullanarak optimum rezonans eğrisi kaydedilir.
Konu P doğrusal ölçekte / P _olayı _yansır ve Şekil 6'da gösterildiği gibi, bir Lorentzian olarak doğrusal olan taban düzeltilmiş Şekil uygun.
Yüklenen kalite faktörünü hesaplamak , üzerinden:

NOT: Nerede rezonans eğrisinin yarısı maksimum (FWHM) tam genişliği vetirme "src =" / files / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> rezonans frekansı.
¹⁴ ile boşluğun boşluğu duyarlılığı faktörü a (Ω cm) hesaplayınız:

nerede rezonans frekansı olay gücüne yansıyan oranı, olduğu Yüklenen rezonans frekansı, Rezonans frekansı, Rezonans frekansında malzemenin dielektrik sabiti olan boş alan (F / cm) geçirgenliği olduğunu.
NOT: Bu formül örnek bütün boşluğunu doldurur varsayar.
Numune Geometr için duyarlılık faktörü düzeltinY:
Aşağıdaki düzeltme faktörleri boyutta ince bir film numunesi [w x L × W] (maksimum elektrik alanda yani) z = ₀ d / 4 boşluğun merkezli, (L << d) için geçerlidir. Burada L numune kalınlığının (cm), a ve b, dikdörtgen boşluğun uzun ve kısa kenarları sırasıyla d boşluğun (cm) uzunluktadır. geometri düzeltilmiş duyarlılık faktörü Ã verilir:

C _z, C _xy nedeniyle z ve xy doğrultusu boyunca kavite alanı eksik dolum düzeltme faktörleri nerede, tarafından verilen:

6. Tek TRMC Geçici Ölçülmesi Prosedürü

Optimum ölçüm parametrelerini belirlemek: elle sinyal bulmak
NOT: Yalvarmase protokolünün aşağıdaki bölümleri okumadan önce Şekil 2'de sunulan deneysel şemasına bakınız.
NOT: elle veya uygun bir yazılım kullanarak ya da yapılabilir mikrodalga algılama devresi kurma. Tipik olarak, her yeni bir örnek için (örneğin, rezonans frekansı, mikrodalga güç, tetikleme konumuna ve zaman temel olarak) ölçüm parametreleri bilinmemektedir ve / tespit sinyali optimize etmek için ayarlanmalıdır. Bu genellikle elle yapılır. Sinyal tespit edildikten sonra, ölçüm parametreleri daha sonra ölçüm işlemi otomatikleştirmek için kullanılan MATLAB (veya diğer) komut girilir.
1. Ayarlama bölümü 2.2.5 belirlenen ilgi konusu bir dalga boyunda lazer.
2. Lazer ayarlanabilir güç ayarı varsa, üreticinin talimatlarına göre, maksimum çıkış gücü ayarlayın. (Bu bir enerji düğmesini ayarlayarak manuel içerebilir, ya da lazer bağlı yazılımı ile yapılabilir).
3. Zaten (bağlayınBir güç sensörüne) fiber optik birleştiğinde, ve bir güç ölçer kullanılarak fiberden geçirilen lazer gücünü ölçün. Fiber, bu aşamada boşluğa bağlı değildir.
  NOT: Çok kısa atımlı lazerler için, bu genellikle en iyi çok yüksek güçlerde zamansal doygunluğu, hatta dielektrik arıza uğrayabileceği diyot sensörleri, yerine sensörler termal (ortalama güç) kullanılarak yapılır.
4. istenilen güç seviyesine lazer gücü azaltmak için nötral yoğunluk (ND) filtreleri kullanın.
  NOT: filtreleri kullanmak daha düşük bir seviyeye gücünü ayarlamak olup mümkündür, ancak daha kesin bir güç okuma için yüksek bir gücü ölçmek azaltarak elde edilebilir.
5. Bu uyarım yoğunluğu ile N _pH emilen fotonların sayısı / ^cm2 / darbe hesaplayın:
6. boşluğuna fiber bağlayın.
7. Şekil 5'te gösterildiği gibi, algılama devresi ayarlayın.
  NOT: Bir vektör şebeke analizörü, bu ölçümler yapmak için kullanıldı; Bununla birlikte, bir güç sensörü gibi bir mikrodalga diod kullanılarak, örneğin, alternatif bir mikrodalga algılama setup kullanmak mümkündür.
8. şebeke analizörü kullanarak kurulum için bölüm 5. ölçüldüğü gibi, yüklü boşluğunun rezonans frekansına mikrodalga kaynağı frekansını ayarlamak, bu sürekli frekans çıkışını sağlayan ve manuel çıkış mikrodalga frekansı girerek içerir.
9. 0 dBm mikrodalga gücünü ayarlamak.
10. lazer kullanarak ağ analizörü (veya alternatif detektörü) tetikler. lazer darbe montaj için bir temel olarak kullanmak için önce 'karanlık' sinyali birkaç mikrosaniye ile sinyalin yükselişini yakalamak için gerekli ofset tetiği belirleyin. Iyi sinyal uzunluğu 1/10 ofset tetiği işleri Ayarı (örneğin sinyal 100 s uzun ise, o zaman baseline tetik) 10 ms ile telafi edilmelidir. Bu, "dış" tetik modunu değiştirmek ve sinyal bulunana kadar ofset tetiği ayar içerir.
11. geçici kuyruk daha uzun ilk çürüme olduğunu çok ağ analizörü (veya alternatif dedektör) bu tür bir zaman tabanını ayarlayın. Genellikle, sinyal gürültü kata çürümüş olduğunu (doğrusal bir ölçek üzerinde) belirir dahi devam ederse uzun bir kuyruk var.
  NOT: Kullanılan zaman tabanı yeterince uzunsa, bir ortalama TRMC geçici kaydetmek ve daha sonra bir log-log ölçeğinde arsa belirlemek.
Ham geçici ölçün
NOT: TRMC veri suit alırken Genellikle, ölçüm işlemi mikrodalga kaynağı ve dedektör ile arabirim ile otomatiktir. Bu yazıda, bir ev yapımı MATLAB komut mikrodalga çıkışı (Frekans'ı ve güç) ayarlamak için kullanılır olmuştur ve aynı zamanda ölçüm edinimi yapılandırmak için (ölçüm süresi baz, tetik ofset, numara of ortalamalar).
1. Ölçümler, giriş mikrodalga frekans ve güç yanı sıra deney komut dosyası içine yukarıdaki bölümde tespit edilmiştir edinme tetik ofset ve ölçüm zaman tabanı otomatik ise.
2. sürekli lazer darbe ederken, ölçmek ve bir ağ analizörü (veya alternatif dedektör) bir TRMC çürüme geçici kaydedin. darbeli lazer atış-to-shot güç değişimleri telafi etmek için (S / N, tek bir atış ölçümü ile çok yüksek olsa bile) Ortalama en az 100 izleri. Ölçümler otomatik ise, bu deney komut çalıştırarak yapılır.
  Not: Şekil 7 'de gösterildiği gibi, Ortalama alma, özellikle uzun küçük genlikli bozunma kuyrukları ile numuneler için, yeterli bir sinyal-gürültü elde etmek için gerekli olabilir.
  NOT: Pozitif ve negatif 'lob' ile Ters geçici veya geçici, mikrodalga frekansı kavite rezonans frekansı olmadığını gösterebilir. s ayarlayıngeçici sinyal kadar ource frekansı maksimize edilir.
3. boşluğundan lif ayırın ve optik port kap. rezonatör hala numune ile bir önceki adımda olduğu gibi ortalamalar aynı sayıda okuma bir arka plan, alın, ama artık ışıklandırılmış.
4. Sinyal izleme arka plan iz çıkarın.
Şarj taşıyıcı başına hareketlilik ham verilerin işlenmesi
1. aracılığıyla yansıyan gücü değişimini hesaplamak
  
  NOT: Nerede olduğu (aydınlatma öncesi) ham geçici bazal değer ve Ham geçici veridir.
  NOT: Dedektör ölçer değil gücü (örneğin Diyot + osiloskop) gerilimi, sonra bir ölçeklendirme faktörü dahil edilmelidir. ölçekleme faktörü genellikle d alıntıiyot üretici; aksi takdirde, giriş mikrodalga gücüyle vs çıkış voltajının bir kalibrasyon yapılarak elde edilebilir.
2. (Yani geçici rescale) yük taşıyıcı başına hareketlilik yansıyan gücü değişimini üzerinden dönüştürmek:
  
  NOT: Nerede Lazer darbesinin sonuna karşılık gelir, Bir elektronun yükü olduğu, Kısa ve uzun boşluğun boyutları arasındaki orandır olan ^cm2 başına emilen fotonların sayısı ve (Ω) yansıyan mikrodalga p ile ilgiliiletkenlik ΔG değişimine ower. Bu Yeniden ölçekledikten farklı lazer yetki ve dalga boylarında alınan TRMC geçici anlamlı karşılaştırma için izin verir.
  NOT: elektron ve deliklerin toplam hareketlilik aslında. Ancak, TRMC kullanarak bu katkıların ayırt edemez ve bu nedenle biz basitlik için onları bir arada götürü.
3. Uygun bir model ile TRMC iz takın.
  NOT: Veri tek veya çift üstel formunu aşağıdaki Bu basit. Ancak, veriler bir ODE çözümü uydurma ilgili bir kinetik model, veri sığdırmak için gerekli olabilir basit bir form var (bakınız Şekil 7). Uydurma denklem / model bir araç tepki fonksiyonu ile convolved edilmelidir (örn Gauss bir genişlik verilerinin zamansal çözünürlüğe sınırlar cihazın tepki süresi karşılık gelen t = t _lazer merkezli.)

7. İletkenlik Gerçek ve Sanal Bileşenleri incelenmesi

Ölçüm TRMC mikrodalga prob frekansının bir fonksiyonu olarak izleri
NOT: (kompleks) iletkenlik dinamikleri gerçek (iletkenlik) içine yıkılıp edilebilir ve çoklu TRMC alarak hayali (polarizasyon) bileşenleri yüklü boşluğunun rezonans eğrisi kapsayan mikrodalga frekanslarında izler.
1. rezonans frekansını belirlemek S21 boşluğu rezonans eğrisinden karanlıkta numune ile boşluğun (bakınız Şekil 6).
2. x> 20 frekans noktalarını seçin Bu rezonans eğrisi boyunca. Bu noktalar bir Lorentz işlevi sığdırmak için kullanılacak, çok koyu rezonans frekansı f _c yakın daha fazla puan varsa en iyisi (bkz Şekil 9).
3. Ilgi kutuplaşma dinamikleri bağlı dalgaboyu ayarlayın (serbest taşıyıcı kutuplaşma, tuzağa şarj kutuplaşma için alt bandaralıklı için bandaralıklı yukarıda örneğin).
4. maksimum lazer gücü (bu en yüksek S / N verecek) ayarlayın.
5. lif dışarı lazer gücünü ölçün. Karanlıkta boşluğun rezonans frekansı prob mikrodalga frekansı ayarlama .
6. bölümünde ölçümü için sabit bir lazer yoğunlukta, yukarıda tarif edilen 6 tekrarlayın tarif edilen bir TRMC iz elde edilir .
Frekans verileri post-processing: Gerçek ve hayali bölüme yapısızlaştırmanın
1. Arsa TRMC geçici güç Bir fonksiyon, zaman ve prob mikrodalga frekansı olarakES / ftp_upload / 55232 / 55232eq116.jpg "/>, Şekil 8'de gösterildiği gibi.
2. Arsa ve Şekil 8'de gösterildiği gibi, t = 0 ve t TRMC gücü = Her mikrodalga frekansı lazer darbesi.
3. zaman içinde her bir kesiti için Bir rezonans eğrisi oluşturmak .
4. Rezonans frekansı elde etmek için bir Lorentz bu eğriye uyacak Ve rezonans güç .
5. Arsa vs histerezis gibi polar elde etmek üzereleştirilmesi evrim arsa (Şekil 8 vaziyettedir bakınız).
6. normalize geçici frekans ve üzeri geçici güç kayması hesaplayın:
7. Rezonans frekansı değişiklik Konu , Rezonans gücü değiştirmek ve kavite merkez frekansında geçici güç değiştirmek Şekil 10 'de gösterildiği gibi.

8. Şiddeti Bağımlı Data Suite

Ayarlama bölümü 2.2.5 belirlenen ilgi konusu bir dalga boyunda lazer.
maksimum lazer gücünü ayarlayın.
lif dışarı lazer gücünü ölçün.
boşluğuna fiber bağlayın.
6. bölümde belirtildiği gibi tek bir TRMC geçici edinin.
her yerde lazer ve fiber arasında bir ND filtresi takın (ya iki gözbebekleriyle arasında, ya da sadece lif coupler önce. Bir lif çıkışı ile lazerler için, ND filtre elyaf çıkışı ve kavite optik port arasına yerleştirilmesi gerekir).
Hesaplayın ve 6.1.5 de açıklandığı gibi emilen fotonların modifiye numarasını kaydedin.
6. bölümde belirtildiği gibi tek bir TRMC geçici edinin.
Not: zayıflatma arttıkça, ortalamalar sayısını arttırmak için gerekli olacaktır.
gerektiği gibi ND filtre gibi birçok kombinasyonları 8.68.8 tekrarlayın.
NOT: Yoğunluk bağımlılıkları genellikle büyüklükte birkaç sipariş üzerine görülmektedir. Yüksek güç limiti, belirli bir dalga boyunda maksimum çıkış lazer gücü ile ayarlanır. düşük güç sınırı algılama kurulum hassasiyeti ayarlanır.

9. Dalgaboyu Bağımlı Data Suite

NOT: ord olarakfarklı dalga boylarında TRMC transientleri karşılaştırma er lazer daha sonra bağlı bir taşıyıcı konsantrasyonu sabit olduğu şekilde, her dalga boyunda kalibre edilmelidir.

Elde edilebilecek maksimum indüklenmiş yük taşıyıcı yoğunluğu N _{taşıyıcıları} sınırlar dalga boyu belirleyin. Bu, dalga boyu ya da numune emme özellikleri ile uygun lazer gücü ile sınırlı olabilir. Yukarıda arası ve alt bandaralıklı rejimi kapsayan dalga boyunda TRMC ansılların ölçerken Örneğin, alt bandaralıklı dalgaboylarında düşük emilim maksimum taşıyıcı yoğunluğu sınırlayacaktır.
Kullanarak her dalga boyunda bu sabit referans taşıyıcı yoğunluğu N _{taşıyıcıları} üretmek için gerekli lazer gücünü hesaplayın:
Ayarlama, istenen dalga boyu lazer. 9.2'de hesaplanan değere lazer gücünü ayarlayın. boşluğuna fiber bağlayın. belirtildiği gibi, tek bir TRMC geçici elde edilirbölüm 6. ilgi her dalga boyu için yineleyin 9.3.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Burada yer alan Örnek sonuçlar 250 nm _CH3 _NH3 PBI ₃ ince film numunesi elde edildi.

iletkenlik dinamikleri figure-results-1 yük taşıyıcıların dinamikleri ile ilişkili olabilir figure-results-2 üzerinden

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

TRMC tekniği fotokimyasal yük taşıyıcı dinamikleri hakkında bilgi hazinesi sunabilir iken, bu iletkenlik dolaylı bir ölçüsüdür ve bu nedenle sonuçları yorumlanırken alınacak ihtiyaçlar bakım. TRMC tekniği toplam hareketlilik ölçer ve elektron ve delik hareketlilik ayırt etmek kullanılamaz. Bu değişiklik küçük (<% 5) ¹⁶ olduğu zaman iletkenliği yansıyan güç değiştirmek orantılı olduğunu altta yatan varsayım tutar. bozunumunda rezonans frekansı kayma büyükse Ayrıca, daha sonra, toplam (kompleks)...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

Avustralya Araştırma Konseyi'ne teşekkür edilmiştir (LE130100146, DP160103008). JAG, Avustralya Yüksek Lisans Ödülü ve DRM, ARC Future Fellowship (FT130100214) tarafından desteklenmektedir. Yararlı tartışmalar için Nikos Kopidakis'e teşekkür ederiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Hellmanex III deterjan	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en®ion=AU	Z805939	Aşındırıcı ve toksiktir. Bkz. SDS.
Kurşun (II) iyodür (% 99)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en®ion=AU	211168	Toksik. Bkz. SDS.
Susuz dimetilformamid (% 99.8)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en®ion=AU	227056	Toksik. Bkz. SDS.
Susuz dimetilsülfoksit (% 99.9)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en®ion=AU	276855	Toksik. Bkz. SDS.
Susuz 2-Propanol (% 99.5)	Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en®ion=AU&gclid= COnlgPaw780CFQZvvAod17EA4Q	278475
Metilamonyum iyodür	Boyasol www.dyesol.com/products/dsc-materials/perovskite-precursors/methylammonium-iodide.html	MS101000	Ayrıca Sigma Aldrich
Poli (metil metakrilat)	Sigma Aldrich	445746
Susuz klorobenzen (% 99,8)	tarafından satılmaktadır.Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/445746?lang=en®ion=AU	284513	Zehirli. Bkz. SDS.
Ekipman< / güçlü >	< güçlü > Şirket< / güçlü >	< güçlü >Model< / güçlü >	< güçlü > Yorumlar / Açıklama< / güçlü >
UV-VIS-NIR spektrofotometre	Perkin-Elmer ve nbsp;	Lambda 900
Profilometre	Veeco	Dektak 150
Vektör Ağ Analizörü	Keysight www.keysight.com/en/pdx-x201927-pn-N9918A/fieldfox-handheld-microwave-analyzer-265-ghz?cc=US&lc=eng	Fieldfox N9918A
Ayarlanabilir dalga boyu lazeri	Opotek www.opotek.com/product/opolette-355	Opolette 355
Nötr yoğunluk filtreleri	Thorlabs www.thorlabs.hk/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3193	NUK01
Güç ölçer	Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D	PM100D
Güç sensörü	Thorlabs www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S401C	S401C
Boşluk	Özel yapım		Bu deney için kullanılan boşluk şirket içinde tasarlanmış ve inşa edilmiştir.

Kaynaklar

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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

İnce Film Fotovoltaikler Yük Taşıyıcı Dinamiği Perovskit Malzemeler Tuzak Aracılı Rekombinasyon Mikrodalga Kaviteler Lazer Kalibrasyonu Kompleks İletkenlik Fotolüminesans Ölçümleri

Zaman çözülmesi Mikrodalga İletkenlik aracılığıyla İnce film Fotovoltaik Malzemeler rekombinasyon Dinamikleri