La recombinación Dinámica de capa fina en materiales fotovoltaicos a través de conductividad de microondas resuelta en el tiempo

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Guse, J. A., Jones, T. W., Danos, A., McCamey, D. R. Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity. J. Vis. Exp. (121), e55232, doi:10.3791/55232 (2017).

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Abstract

Se presenta un método para la investigación de dinámica de recombinación de portadores de carga foto-inducida en semiconductores de película fina, específicamente en materiales fotovoltaicos tales como perovskitas de haluro de organo-plomo. El espesor de la película de perovskita y coeficiente de absorción se caracterizan inicialmente por perfilometría y espectroscopia de absorción UV-VIS. Calibración de tanto la potencia del láser y de la cavidad sensibilidad se describe en detalle. Un protocolo para la realización de experimentos de flash fotólisis de resolución temporal de la conductividad de microondas (TRMC), un método sin contacto de la determinación de la conductividad de un material, se presenta. se da un procedimiento para la identificación de los componentes real e imaginaria de la compleja conductividad mediante la realización de TRMC como una función de frecuencia de microondas. la dinámica de portadores de carga se determinan bajo diferentes regímenes de excitación (incluidos la energía y longitud de onda). Las técnicas para distinguir entre procesos de desintegración directos y atrapan mediada son presentados y discutidos.Los resultados se modelaron y se interpretan con referencia a un modelo cinético general de los portadores de carga fotoinducida en un semiconductor. Las técnicas descritas son aplicables a una amplia gama de materiales optoelectrónicos, incluyendo materiales fotovoltaicos orgánicos e inorgánicos, nanopartículas, y la realización de / semiconductor películas delgadas.

Introduction

Flash fotólisis conductividad de microondas resuelta en el tiempo (FP-TRMC) monitorea la dinámica de los portadores de carga foto-excitada en la escala de tiempo ns-mu s, lo que lo convierte en una herramienta ideal para la investigación de los procesos de recombinación de portadores de carga. La comprensión de los mecanismos de desintegración de los portadores de carga foto-inducida en los semiconductores de película delgada es de importancia clave en una variedad de aplicaciones, incluyendo la optimización del dispositivo fotovoltaico. Los tiempos de vida de soporte inducidos son a menudo las funciones de densidad inducida portadora, onda de excitación, la movilidad, la densidad de trampas y la tasa de atrapar. En este trabajo se demuestra la versatilidad de la técnica de resolución temporal Microondas Conductividad (TRMC) para la investigación de una amplia gama de dependencias portadoras dinámicas (intensidad, longitud de onda, frecuencia de microondas) y sus interpretaciones.

cargos fotogenerada puede modificar tanto a la real y la parte imaginaria de la constante dieléctrica de un material, en función de su movilidad y degre e de confinamiento / localización 1. La conductividad de un material Ecuación es proporcional a su constante dieléctrica compleja

Ecuación

dónde Ecuación es la frecuencia de un campo eléctrico de microondas, Ecuación y Ecuación son las partes real e imaginaria de la constante dieléctrica. Por lo tanto, la parte real de la conductividad está relacionado con la parte imaginaria de la constante dieléctrica, y se puede corresponder con absorción de microondas, mientras que la parte imaginaria de la conductividad (en adelante denominada polarización) está relacionado con un cambio en la frecuencia de resonancia del campo de microondas 1.

t "> TRMC ofrece varias ventajas sobre otras técnicas. Por ejemplo, las mediciones de fotoconductividad DC sufren de una gama de complicaciones derivadas de contacto el material con electrodos. recombinación mejorada en la interfaz electrodo / material, de nuevo la inyección de cargas a través de esta interfaz, así como una mayor disociación de excitones y pares geminadas debido a la tensión aplicada 2 todos conducen a distorsiones en las movilidades y tiempos de vida del portador medidos. por el contrario, TRMC es una técnica sin electrodos que mide la movilidad intrínseca de los portadores sin distorsiones debidas a la transferencia de carga a través de los contactos .

Una ventaja significativa de la utilización de potencia de microondas como una sonda para la dinámica de soporte es que, así como el seguimiento de los tiempos de vida de desintegración de los portadores de carga, los mecanismos de descomposición / vías pueden también ser investigadas.

TRMC se puede utilizar para determinar el total de vida de movilidad 3 y4 tiempo de portadores de carga inducidas. Estos parámetros posteriormente se pueden utilizar para distinguir entre los mecanismos de recombinación directos y trampa mediada 3, 5. La dependencia de estas dos vías de desintegración distintos puede analizarse cuantitativamente como una función de densidad de portadores 3, 5 y la energía de excitación / longitud de onda 5. La localización / confinamiento de portadores inducidos puede ser investigado mediante la comparación de la decadencia de la conductividad vs polarizabilidad 5 (imaginario vs parte real de la constante dieléctrica).

Además, y quizás más importante, TRMC se puede utilizar para caracterizar estados trampa que actúan como vías de desintegración de portadores de carga. Trampas de superficie, por ejemplo, se pueden distinguir de las trampas a granel mediante la comparación de pasivado vs muestras no pasivada 6. estados sub-banda prohibida puedeser investigado directamente utilizando energías de excitación sub-banda prohibida 5. Las densidades de trampas se pueden deducir mediante el ajuste de los datos TRMC 7.

Debido a la versatilidad de esta técnica, TRMC se ha aplicado para estudiar una amplia gama de materiales que incluyen: los semiconductores tradicionales de película delgada tales como el silicio 6, 8 y TiO 2 9, 10, las nanopartículas 11, los nanotubos de 1, semiconductores orgánicos 12, mezclas de materiales 13, 14, y fotovoltaicos híbrido materiales 3, 4, 5.

Con el fin de obtener información cuantitativa usando TRMC, es fundamental ser capaces de determinar con precisión el númerode fotones absorbidos para una excitación óptica dado. Dado que los métodos para cuantificar la absorción de películas delgadas, nanopartículas, soluciones y muestras opacas son diferentes, las técnicas de preparación de muestras y calibración que aquí se presentan están diseñados específicamente para las muestras de película delgada. Sin embargo, el protocolo de medición TRMC presentada es muy general.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hellmanex III detergent Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/z805939?lang=en&region=AU
Z805939 Corrosive and toxic. See SDS.
Lead(II) iodide (99%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/211168?lang=en&region=AU
211168 Toxic. See SDS.
Anhydrous dimethylformamide (99.8%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/227056?lang=en&region=AU
227056 Toxic. See SDS.
Anhydrous dimethylsulfoxide (99.9%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/276855?lang=en&region=AU
276855 Toxic. See SDS.
Anhydrous 2-Propanol (99.5%) Sigma Aldrich
www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/278475?lang=en&region=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&region=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.

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References

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