La ricombinazione Dynamics nel fotovoltaici a film sottile Materiali tramite risolta nel tempo Microonde Conducibilità

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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

Un metodo per indagare le dinamiche di ricombinazione di portatori di carica foto-indotta nei semiconduttori a film sottile, in particolare in materiali fotovoltaici, come organo-piombo perovskiti alogenuri è presentato. Lo spessore del film perovskite e coefficiente di assorbimento sono inizialmente caratterizzate da profilometria e spettroscopia di assorbimento UV-VIS. La calibrazione di entrambi potenza del laser e la cavità sensibilità è descritto in dettaglio. Un protocollo per l'esecuzione risolto microonde conducibilità (TRMC) esperimenti Flash-fotolisi Tempo, un metodo senza contatto di determinare la conduttività di un materiale, è presentato. è dato Procedimento per identificare le componenti reale e immaginaria del complesso conducibilità eseguendo TRMC in funzione della frequenza delle microonde. dinamiche portatori di carica sono determinati in diversi regimi di eccitazione (compresi i termini di potenza e lunghezza d'onda). Tecniche per distinguere tra i processi diretti e trappola-mediata decadimento vengono presentati e discussi.I risultati sono modellati e interpretati con riferimento ad un modello cinetico generale di portatori di carica fotoindotte in un semiconduttore. Le tecniche descritte sono applicabili ad una vasta gamma di materiali optoelettronici, compresi materiali fotovoltaici organici e inorganici, nanoparticelle, e conduzione / semiconduttori film sottili.

Introduction

risolta in tempo flash-fotolisi microonde conducibilità (FP-TRMC) controlla la dinamica di portatori di carica foto-eccitato su scala temporale ns-microsiemens, che lo rende uno strumento ideale per lo studio dei processi di ricombinazione dei portatori di carica. La comprensione dei meccanismi di decadimento di portatori di carica foto-indotta nei semiconduttori a film sottile è di fondamentale importanza in una vasta gamma di applicazioni, tra cui l'ottimizzazione dispositivo fotovoltaico. I tempi di vita vettore indotte sono spesso funzioni di densità indotto vettore, la lunghezza d'onda di eccitazione, la mobilità, la densità e la velocità trappola cattura. Questo documento dimostra la versatilità della tecnica risolta in tempo Microonde conducibilità (TRMC) per indagare una vasta gamma di dipendenze carrier dinamici (intensità, lunghezza d'onda, frequenza microonde) e loro interpretazioni.

oneri fotogenerata possono modificare sia reale e la parte immaginaria della costante dielettrica di un materiale, a seconda della loro mobilità e degre e di confinamento / localizzazione 1. La conduttività di un materiale Equazione è proporzionale alla sua costante dielettrica complessa

Equazione

dove Equazione è la frequenza di un campo elettrico microonde, Equazione e Equazione sono le parti reale e immaginaria della costante dielettrica. Così, la parte reale della conducibilità è legata alla parte immaginaria della costante dielettrica, e può essere mappato su assorbimento microonde, mentre la parte immaginaria della conducibilità (in seguito denominato polarizzazione) è collegato a un cambiamento nella frequenza di risonanza del campo di microonde 1.

t "> TRMC offre diversi vantaggi rispetto ad altre tecniche. Ad esempio, le misurazioni fotoconduttività DC soffrono di una serie di complicazioni derivanti dal contatto del materiale con elettrodi. ricombinazione migliorata all'interfaccia elettrodo / materiale, posteriore iniezione di cariche attraverso questa interfaccia, nonché come una maggiore dissociazione eccitoni e coppie geminate a causa della tensione applicata 2 tutti portare a distorsioni nei mobilità del vettore di misura e tempi di vita. al contrario, TRMC è una tecnica electrodeless che misura la mobilità intrinseca dei vettori, senza distorsioni dovute al trasferimento di carica tra i contatti .

Un vantaggio significativo con le microonde come sonda per dinamiche portante è che, così come il monitoraggio delle vite di decadimento di portatori di carica, meccanismi di decadimento / percorsi possono essere esaminati.

TRMC può essere utilizzato per determinare la durata totale di mobilità 3 etempo 4 di portatori di carica indotta. Questi parametri possono essere successivamente utilizzati per distinguere tra i meccanismi di ricombinazione diretti e trappola-mediata 3, 5. La dipendenza di questi due percorsi separati decadimento può essere quantitativamente analizzata in funzione della densità del vettore 3, 5 e energia di eccitazione / lunghezza d'onda di 5. La localizzazione / confinamento di vettori indotte può essere studiata confrontando il decadimento della conducibilità vs polarizzabilità 5 (immaginaria vs parte reale della costante dielettrica).

Inoltre, e forse più importante, TRMC può essere utilizzato per caratterizzare gli stati trappola che fungono da percorsi di decadimento portatori di carica. Trappole di superficie, per esempio, possono essere distinte dalle trappole di massa, confrontando passivato vs campioni unpassivated 6. gli stati sub-bandgap puòessere studiati direttamente utilizzando sub-bandgap eccitazione energie 5. Densità Trappola possono essere dedotte inserendo i dati TRMC 7.

Grazie alla versatilità di questa tecnica, TRMC è stata applicata per studiare una vasta gamma di materiali, tra cui: semiconduttori tradizionali film sottile come silicio 6, 8 e TiO 2 9, 10, nanoparticelle 11, nanotubi 1, semiconduttori organici 12, miscele materiali 13, 14, e fotovoltaici ibridi materiali 3, 4, 5.

Allo scopo di ottenere informazioni quantitative usando TRMC, è fondamentale poter determinare con precisione il numerodi assorbimento di fotoni per un dato eccitazione ottica. Dal momento che i metodi per quantificare l'assorbimento di film sottili, nanoparticelle, soluzioni e campioni opachi sono diverse, le tecniche di preparazione e di taratura del campione qui presentati sono stati progettati specificamente per i campioni a film sottile. Tuttavia, il protocollo di misura TRMC presentato è molto generale.

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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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