Rekombination Dynamics i Tunnfilms solceller material via tidsupplöst Microwave Konduktivitet

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

En metod för att undersöka rekombination dynamik fotoinducerad laddningsbärare i tunnfilmshalvledare, särskilt i solceller material såsom organo-bly halogenlampor perovskiter presenteras. Perovskit skikttjocklek och absorptionskoefficienten inledningsvis kännetecknas av profilometri och UV-VIS absorptionsspektroskopi. Kalibrering av både lasereffekt och kavitet känslighet beskrivs i detalj. Ett protokoll för att utföra Flash-fotolys tidsupplöst Mikrovågsugn Konduktivitet (TRMC) experiment, en beröringsfri metod för att bestämma ledningsförmågan hos ett material, presenteras. En process för att identifiera de reella och imaginära komponenterna av den komplexa ledningsförmågan genom att utföra TRMC som en funktion av mikrovågsfrekvens ges. Laddningsbärarkoncentrationer dynamik bestäms under olika excitation regimer (inklusive både kraft och våglängd). Tekniker för att skilja mellan direkta och fälla medierad nedbrytningsprocessen presenteras och diskuteras.Resultat modelleras och tolkas med hänvisning till en allmän kinetisk modell av fotoinducerade laddningsbärare i en halvledare. De tekniker som beskrivs är tillämpliga för ett brett spektrum av optoelektroniska material, inklusive organiska och oorganiska solceller material, nanopartiklar, och genomförande / halvledande tunna filmer.

Introduction

Flash-fotolys tidsupplöst mikrovågsugn ledningsförmåga (FP-TRMC) övervakar dynamik fotoexciterade laddningsbärare på NS-ìS tidsperiod, vilket gör det till ett idealiskt verktyg för att undersöka laddningsbärarkoncentrationer rekombination processer. Förstå sönderfallsmekanismer fotoinducerad laddningsbärare i tunnfilms halvledare är av central betydelse för en rad olika tillämpningar, inklusive fotogalvaniska anordningen optimering. De inducerade bärare livslängd är ofta funktioner av inducerad bärare densitet, excitationsvåglängd, rörlighet, fälla densitet och fånga takt. Detta dokument visar mångsidigheten hos tidsupplöst Microwave Ledning (TRMC) teknik för att undersöka ett brett spektrum av bärare dynamiska beroenden (intensitet, våglängd, mikrovågsugn frekvens) och deras tolkningar.

Fotogenererade laddningar kan ändra både den verkliga och imaginära delarna av den dielektriska konstanten hos ett material, beroende på deras rörlighet och Degre e av instängdhet / lokalisering 1. Konduktiviteten hos ett material Ekvation är proportionell mot dess komplex dielektricitetskonstant

Ekvation

var Ekvation är frekvensen hos en mikrovågsugn elektriskt fält, Ekvation och Ekvation är de verkliga och imaginära delarna av den dielektriska konstanten. Således är den reella delen av konduktiviteten relaterad till den imaginära delen av den dielektriska konstanten, och kan avbildas på mikrovågsabsorption, medan den imaginära delen av konduktivitet (nedan kallad polarisation) är relaterad till ett skift i resonansfrekvensen av mikrovågsfältet en.

t "> TRMC erbjuder flera fördelar jämfört med andra tekniker. Till exempel, DC photoconductivity mätningar lider av en rad komplikationer till följd av kontakt med material med elektroder. Förbättrad rekombination vid elektroden / material gränssnitt tillbaka injektion av avgifter via detta gränssnitt, samt som förbättrad dissociation av excitoner och ORDNA pARVIS par på grund av den pålagda spänningen 2 alla leder till en snedvridning av de uppmätta bärare rörligheter och livslängd. däremot är TRMC en elektrodlös teknik som mäter den inneboende rörlighet av bärarna utan snedvridningar på grund av laddningsöverföring över kontakter .

En betydande fördel med att använda mikrovågseffekten som en sond för bärare dynamik är att, liksom övervakning av sönderfalls livstid laddningsbärare, sönderfallsmekanismer / vägar kan också undersökas.

TRMC kan användas för att bestämma den totala rörlighet 3 och livettid 4 inducerade laddningsbärare. Dessa parametrar kan sedan användas för att skilja mellan direkta och fälla-medierad rekombination mekanismer 3, 5. Beroendet av dessa två separata sönderfallsvägar kvantitativt kan analyseras som en funktion av bärardensitet 3, 5 och excitationsenergi / våglängd 5. Lokaliseringen / inneslutning av inducerade bärare kan undersökas genom att jämföra sönderfallet av konduktiviteten vs polariserbarheten 5 (imaginär vs realdelen av den dielektriska konstanten).

Dessutom, och kanske viktigast av allt, TRMC kan användas för att karakterisera fälla stater som fungerar som laddnings bärare sönderfallsvägar. Surface fällor, till exempel, kan skiljas från bulk fällor genom att jämföra passive vs opassiverad prov 6. Sub-bandgap tillstånd kanundersökas direkt med hjälp av sub-bandgap exciteringsenergier 5. Trap densiteter kan härledas genom att montera TRMC uppgifter 7.

På grund av mångsidigheten hos denna teknik, har TRMC tillämpats att studera ett brett spektrum av material inklusive: traditionella tunnfilms halvledare såsom kisel 6, 8 och TiO 2 9, 10, nanopartiklar 11, nanorör 1, organiska halvledare 12, materialblandningar 13, 14, och hybrid solceller material 3, 4, 5.

För att erhålla kvantitativ information med hjälp av TRMC, är det viktigt att kunna exakt fastställa antaletav absorberad fotoner för en given optisk excitation. Eftersom metoder för att kvantifiera absorption av tunna filmer, nanopartiklar, lösningar och ogenomskinliga prov skiljer sig, är provberedningen och kalibrerings tekniker som presenteras här som utformats speciellt för tunnfilmsprover. Dock är TRMC mätprotokoll presenteras mycket stort.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Provframställning

Varning: Vissa kemikalier som används i detta protokoll kan vara hälsofarliga. Kontakta alla relevanta säkerhetsdatablad innan provberedning sker. Utnyttja lämplig personlig skyddsutrustning (rockar, skyddsglasögon, handskar, etc.) och tekniska kontroller (t.ex. handskfack, dragskåp mm) vid hantering av perovskit prekursorer och lösningsmedel.

NOTERA: Syftet med detta avsnitt är att bilda en enhetlig tjocklek tunn film på substratet. Även om detta förfarande är specifik för organo-bly halid perovskit prov, kan det ändras till en rad prover och provberedningsmetoder, inklusive ångavsättning, spinnbeläggning och sputtering, etc. Det viktiga resultatet är en jämn tunn film.

  1. Rengöring av substratet
    1. Placera kvarts (eller låg järn glas) substratet i ett ultraljudsbadtvättmedel i 30 min.
    2. Upprepa ultraljudsbehandling med ultrarent vatten och därefter med isopropanol.
    3. Placera de rengjorda substraten under kväveplasma under 30 minuter omedelbart före överföring till en kväve handskfacket.
  2. CH 3 NH 3 PBI 3 perovskit provberedning med hjälp av diffusion metod 15
    OBS: Följande steg utförs i kväve handskfacket.
    1. Lägg 461 mg PBI 2 till en provflaska och överföra till en kväve handskfacket.
    2. Lägga 850 mikroliter vattenfri dimetylformamid (DMF) till 150 mikroliter av vattenfri dimetylsulfoxid (DMSO) till från ett blandat 85:15 DMF / DMSO lösningsmedel.
    3. Lägga PBI 2 till DMF / DMSO lösningsmedel och upphetta blandningen vid 100 ° C under omrörning med en magnetisk omrörare tills PBI 2 har helt upplöst.
    4. Filtrera PBI två lösningen genom ett 0,2 ^ m PTFEfiltrera till en ren provflaska och återgå till 100 ° C kokplatta.
    5. Lös 50 mg CH 3 NH3 I i 50 ml vattenfri isopropanol.
    6. Dispensera 80 mikroliter av den heta PBI 2 lösning på glassubstrat (vid rumstemperatur) och omedelbart snurra vid 5000 rpm under 30 s för att bilda en tunn PBI 2 prekursorfilmen.
    7. Injicera en 300 mikroliter volym av CH 3 NH 3 Jag lösning direkt på mitten av PBI 2 film, och omedelbart snurra päls denna lösning vid 5000 rpm under 30 s.
      OBS: Detta steg bör utföras med en enda säker dispense av CH 3 NH 3 Jag lösning. Var noga med att undvika oavsiktliga droppar eftersom detta påverkar kvaliteten på den resulterande filmen.
    8. Placera provet på en värmeplatta vid 100 ° C i 2 h, så att prekursorfilmen kristalliserar in i en perovskitstruktur. Den resulterande CH 3 NH 3 PBI tre film bör vara smooth, med en spegelliknande yta och ca 250 nm tjockt.
  3. prov inkapsling
    OBS: Detta steg är endast nödvändigt för prover som lider av atmosfärisk nedbrytning.
    1. Lös upp 10 mg av poly (metylmetakrylat) (PMMA) i 1 ml vattenfri klorbensen. Spin coat provet med 50 mikroliter av PMMA-lösning vid 1000 rpm under 30 s.

2. Prov Karakterisering

  1. Åtgärd provtjocklek
    1. Etch en liten linje på en kamrat prov. Skanna ytan nära denna etsning med hjälp av en profilometer. Bestäm skikttjocklek L.
      OBS: Provet bör förvaras i en lätt fri (t.ex. täckt av aluminiumfolie) syrefri (t.ex. kväve) omgivning tills klar för användning.
  2. Mäta absorptionsspektrum
    OBS: Detaljerna i denna mätning varierar beroende på provet (t.ex. pulver vs opaque filmer vs halvgenomskinliga filmer). Följande förfarande är avsett för halvtransparenta tunna filmprover. Syftet med detta avsnitt är att bestämma våglängder av intresse att undersöka (t.ex. bestämma bandgap, excitoniska funktioner, etc.), och för att beräkna F a, den del av absorberade fotoner vs infallande fotonerna vid varje våglängd av intresse.
    1. Placera provsubstrat (t.ex. glasskiva) i provhållaren av en lämplig spektrofotometer. Rekord bakgrund reflektansen (R (λ)) och transmittans (T (λ)) spektra enligt tillverkarens instruktioner. Obs: en reflektansstandard såsom BaO 4 kan också användas för att få en korrekt baslinjen.
    2. Ersätta substratet med provet och registrera reflektansen (R (λ)) och transmittans (T (λ)) enligt tillverkarens instruktioner. Subtrahera bakgrundsmätning att få exakt spektra.
      OBS: För ogenomskinliga prover, sompectrophotometer med en integrerande sfär fastsättning måste användas. Den diffusa reflektionen mäts som i avsnitt 2.2.1-2, men provet ska placeras in på baksidan av den integrerande sfären, enligt tillverkarens instruktioner.
    3. Beräkna absorptionskoefficienten via:
      Ekvation
      OBS: Om d är tjockleken av filmen i cm.
    4. Beräkna antalet absorberade vs infallande fotoner genom
      Ekvation
      OBS: Se till att absorptionskoefficienten och provtjockleken L har samma enheter.
    5. Bestämma våglängder av intresse från absorptionsspektrum genom inspektion. Dessa kan innefatta optiska övergångar eller våglängder vid bandkanten eller i bandet svansen. Notera Fa vid var och en av dessa våglängder.
      OBS! Följande kalibreringsprocesser skall utföras strax före experimentet.

3. kalibrering av lasereffekt

OBS: I det här avsnittet hänvisas till den optiska exciterings schema i figur 3. Avstämbara våglängdslasrar som OPOS kräver koppling vid varje våglängd.

  1. Par fritt utrymme laser i en fiber
    OBS: Om den tillgängliga laser är redan fiber kopplad, hoppa över detta avsnitt.
    OBS: Av-axel parabolisk spegel fiberkopplare är akromatisk, vilket innebär att alla våglängder som infaller på spegeln är fokuserade till provpunkten. Som ett resultat, kan fibern vara kopplad till det fria utrymmet laser vid en våglängd, och kräver inte justeringar vid varje våglängd. Detta steg bör göras innan några andra mätningar utförs
    OBS: Det är möjligt att konstruera en TRMC hålighet och optisk inställning med ett fritt utrymme laser, men exakt och reproducerbart karakterisera den absorberade lasereffekt kan vara lite svårare.
    1. Ställ den infallande våglängden till det önskade värdet (t.ex. 750 nm) enligt tillverkarens protokoll. För fasta våglängdslasrar, är detta steg onödigt.
    2. Kontrollera laserstrålen profil för synliga tvärbalkar. Om sådana finns, använder iris så att endast den centrala gausstråle övergå till fiberkopplare.
    3. Rikta en off-axis parabolisk spegel fiberkopplare så att den infallande laserstrålen är inriktad med den optiska axeln hos spegeln.
    4. Ansluta den optiska fibern till fiberkopplare och till en kraftsensor. Ju större fiberkärna, kan desto mer ljus att kopplas in i fibern. En 1 mm kärna NA 0,48 fiber fungerar effektivt.
    5. Maximera fiber koppling med låg effekt genom att övervaka uteffekten av fibern med strömsensorn medan du justerar lutningen och vinkeln för fiberkopplare. Optimal koppling uppnås när den uppmätta effekten av sensorn maximeras (dvs. eventuella justeringar av fiberkopplare lutningsvinkeln resulterar i en lower effektmätning)
      OBS: Om inriktningen är dålig, är det möjligt att skada den yttre manteln av fibern. Ett tickande ljud indikerar att ett hål bränns i kapseln. I det här fallet, omedelbart stänga av lasern och utför en grov inriktning av kopplingen vid låg effekt.
    6. Gradvis öka lasereffekt och förfina kopplingen som i 3.1.5.
  2. Mäta kaviteten förlustfaktor
    OBS: Detta avsnitt ska utföras efter fiberkopplingsförfarande som beskrivs i avsnitt 3.1.
    1. Mäta effekten som sänds genom fibern med hjälp av en lämplig effektsensorn. Denna mätning utförs innan anslutning av fibern in i håligheten.
    2. Mäta effekten på provet. Detta är enklast om hålrummet består av 4 kvartal våg plattor skruvade ihop (se figur 4). För att göra detta noggrant och reproducerbart, skruva kaviteten placera en mask storlek provhållaren på provetpositionera och mäta lasereffekt som når detektorn genom masken.
    3. Beräkna kaviteten förlustfaktorn genom att dividera lasereffekten mätt vid fibern genom den uppmätta effekten vid provet. Denna mätning tar hänsyn geometriska förluster samt förluster på grund av diffusiva komponenter i installationen.
    4. Upprepa denna mätning för varje våglängd av intresse.

4. Montering av provet i Cavity

  1. Placera provet i en teflonprovhållare, utformad så att provet är centrerad i kaviteten gång införas.
  2. För in provhållaren in i håligheten vid ett läge av maximal elektrisk fält, med den tunna filmen som vetter mot den optiska ingången av kaviteten. Figur 4 visar ett detaljerat schema av kaviteten och provhållaren.

5. Cavity Känslighet Kalibrering 14

OBS: Överskott bild genererad laddningbärare leda till en förändring i prov ledningsförmåga Ekvation (Sm -1) som resulterar i en minskning i den mikrovågseffekt som reflekteras från kaviteten Ekvation . För små förändringar i ledningsförmågan 17, är förändringen i mikrovågseffekt proportionell mot förändringen i ledningsförmåga via en hålighet känslighetsfaktor Ekvation :
Ekvation
Förändringen i ledningsförmåga Ekvation av provet relaterade till ändringen i bulk konduktans Ekvation via Ekvation
OBS: Denna kalibrering är nödvändig för omvandling av mikrovågseffekt att ladda bärarrörligheten. Om måletmed studien är att jämföra dynamik eller få relativa resultat, är denna kalibrering inte krävs.
OBS: I det här avsnittet hänvisas till mikrovågsugnen detekterings setup i figur 5.

  1. Förbinda port 1 av en nätverksanalysator till cirkulatorn inporten 1. Anslut port 2 av en nätverksanalysator till den punkt i kretsen precis före detektion (t.ex. till utgången hos en detektionsdiod eller IQ-modulering detektor). Mäta effekten som reflekteras från den laddade kaviteten (dvs. med provet isatt) som en två-port S21 mätning, för att erhålla resonanskurvan för kretsen. 14
    OBS: Om kaviteten inte har matchas med den externa mikrovågsugn detektorkretsen, kommer resonanskurvan vara olika för fristående hålighet vs hålighet i kretsen. Således är det bättre att mäta resonans inte som en port reflektionsmätning från kaviteten, utan snarare som en 2-port "reflektion" mätning thrgrundlig cirkulatorn.
    OBS: Resonansfrekvensen bestäms huvudsakligen av geometrin hos kaviteten som används. Typiska resonansfrekvenser för TRMC finns i X-bandet (~ 10 GHz) och Q-bandet (~ 34 GHz), även om vilken mikrovågsfrekvens kan i princip användas. I detta manuskript, använder vi en hålighet med en resonansfrekvens av ~ 6,5 GHz, vilket ger en liknande mikrovågsugn svar samtidigt som ett större prov utrymme jämfört med en X-band hålighet.
  2. Optimera kvaliteten faktor, Ekvation Av hålrummet med stämskruven genom att observera resonans dopp blir djupare och smalare.
    OBS: Optimera Q-faktorn betyder inte nödvändigtvis att maximera Q. Samtidigt öka Q-faktorn ökar känsligheten, den tid hålighet respons Ekvation ökar också. Det kan vara fördelaktigt att minska känsligheten för att få högre tidsupplösning. Om fotoinducerade laddningsbärare modifiera signifikant den dielektriska konstanten hos materialet, kan resonansfrekvensen också temporärt skifta utanför kaviteten bandbredd om Q är stor, vilket resulterar i en förvrängd effektmätning. I dessa fall kan overcoupling resonatorn något förbättra noggrannheten av den reflekterade effekten.
  3. Mät och registrera den optimerade resonanskurvan för att använda en nätverksanalysator som beskrivs i avsnitt 5.1.1.
  4. Plot P reflekterade / P infallande på en linjär skala och montera baslinje korrigerades figur med en Lorentzlineshape, såsom visas i fig 6.
  5. Beräkna laddade kvalitetsfaktor Ekvation , Via:
    Ekvation
    OBS: Var Ekvation är den fulla bredden vid halva maximum (FWHM) av resonanskurvan ochation "src =" / filer / ftp_upload / 55232 / 55232eq19.jpg "/> är resonansfrekvensen.
  6. Beräkna kaviteten känslighetsfaktorn A (Ω cm) av kaviteten via 14:
    Ekvation
    var Ekvation är förhållandet mellan reflekteras till infallande effekt vid resonansfrekvensen, Ekvation är den laddade resonansfrekvensen, Ekvation är resonansfrekvensen, Ekvation är dielektricitetskonstanten hos materialet vid resonansfrekvensen, Ekvation är permittiviteten hos fritt utrymme (F / cm).
    OBS: Denna formel förutsätter provet fyller hela hålrummet.
  7. Korrigera känsligheten faktorn för prov geometry:
    Följande korrigeringsfaktorer ansöka om en tunn film prov av storlek [w × B × L] (L << d), centrerad i kaviteten vid z 0 = d / 4 (dvs. den maximala elektriska fältet). Här, L är provets tjocklek (cm), a och b är de långa och korta sidorna av den rektangulära kaviteten respektive och d är längden av kaviteten (cm). Geometrin korrigerade känslighetsfaktor à ges av:
    Ekvation
    där C z, C xy är korrektionsfaktorer som beror på ofullständig fyllning av hålrummet längs z och xy riktning, ges av:
    Ekvation
    Ekvation

6. Enkel TRMC Transient bestämningsprocedur,

  1. Bestämma optimala mätparametrar: manuellt hitta signal
    OBS: Grundense se den experimentella schema som presenteras i Figur 2 innan du läser följande avsnitt i protokollet.
    OBS: inrätta mikrovågsugn detekteringskretsen kan göras antingen för hand eller med hjälp av lämplig mjukvara. Typiskt, för varje nytt prov, de mätparametrar (såsom resonansfrekvensen, mikrovågseffekt, triggerläge och tids bas) är okända och måste justeras för att identifiera / optimera signalen. Detta görs vanligen manuellt. När signalen har identifierats, är mätparametrarna sedan ingått ett MATLAB (eller andra) skript som används för att automatisera mätprocessen.
    1. Tune lasern till en våglängd av intresse, som bestämts enligt punkt 2.2.5.
    2. Om lasern har en justerbar effektinställning, ställ in uteffekten till maximum, enligt tillverkarens anvisningar. (Detta kan innebära att manuellt justera en effektratten, eller kan göras via mjukvara beroende på laser).
    3. Anslut (redankopplat) optisk fiber till en kraftsensor, och mäta lasereffekten som överförs genom fibern med hjälp av en kraftmätare. Fibern är inte ansluten till håligheten i detta skede.
      OBS: För mycket korta pulsade lasrar, är detta ofta bäst med hjälp av termisk (medeleffekt) sensorer snarare än diodsensorer, som kan genomgå tids mättnad eller dielektrisk nedbrytning vid mycket höga effekter.
    4. Använd neutrala densitet (ND) filter för att dämpa lasereffekt till en önskad effektnivå.
      OBS: Det är möjligt att ställa in effekten på en lägre nivå och inte använda filter, men en mer exakt kraft avläsning kan erhållas genom att mäta en hög effekt sedan dämpa.
    5. Beräkna N ph, antalet absorberade fotoner / cm 2 / puls vid denna exciteringsintensitet via:
      Ekvation
      Ekvation
    6. Ansluta fibern till kaviteten.
    7. Inrättat detekteringskretsen som visas i figur 5.
      OBS: En vektor nätverksanalysator användes för att utföra dessa mätningar; men det är möjligt att använda en alternativ konfiguration mikrovågsugn detektering, t ex med användning av en mikrovågsugn diod som en strömsensor.
    8. Ställ frekvensen mikrovågskällan till resonansfrekvensen för den laddade kaviteten, mätt enligt punkt 5. För vår inställning med nätverket analysatorn, innebär detta möjliggör kontinuerlig frekvensutgång och manuellt mata frekvensen av utgångsmikrovågor.
    9. Ställ in mikrovågseffekten till 0 dBm.
    10. Utlösa nätverksanalysator (eller alternativa detektor) med hjälp av laser. Bestäm trigger offset krävs för att avskilja ökningen av signalen med några mikrosekunder av "mörka" signal innan laserpulsen att använda som utgångspunkt för montering. Fastställande av den aktiverande offset till 1/10 av signallängden fungerar väl (t.ex. om signalen är 100 ps lång, då baseline trigger bör kompenseras med 10 ps). Detta innebär att ändra utlösningsläget till "yttre", och justera avtryckaren kompenseras tills signal hittas.
    11. Justera tidbas av nätverksanalysatom (eller den alternativa detektor) på sådant sätt att den transienta svansen är mycket längre att den initiala sönderfallet. Ofta finns det en lång svans som kvarstår även när den visas (på en linjär skala) att signalen har avklingat till brusgolvet.
      OBS: För att bestämma om tidbasen används är tillräckligt lång, spela en genomsnittlig TRMC gående och sedan rita på en log-log-skala.
  2. Mäta rå transient
    OBS: Vanligtvis när erhålla sviter av TRMC data, mätprocessen automatiseras genom samverkan med mikrovågskällan och detektor. I detta dokument har en hemmagjord MATLAB script använts för att ställa in mikro-utgång (frekvens och makt) och även för att konfigurera mätningen förvärv (mättid bas, trigger offset, antal of medelvärden).
    1. Om mätningarna är automatiserade, ange mikrovågsugn frekvens och effekt samt förvärvs trigger offset och mättiden bas som har bestämts i avsnittet ovan i experimentskriptet.
    2. Under kontinuerlig pulserande lasern, mäta och registrera en TRMC förfall gående på en nätverksanalysator (eller alternativa detektor). Genomsnitt minst 100 spår (även om S / N är mycket hög med ett enda skott mätning) för att kompensera för skott mot-shot effektvariationer i pulsad laser. Om mätningarna är automatiserade, görs detta genom att exekvera experimentskriptet.
      OBS: medelvärde kan krävas för att uppnå tillräcklig signal-till-brus, speciellt för prover med långa, små amplitud sönderfalls svansar såsom visas i figur 7.
      OBS: Inverterad transienter, eller transienter med positiva och negativa "lober", kan tyda på att mikrovågsugnen frekvensen är inte på hålrummet resonansfrekvensen. Justera source frekvensen tills den transienta signalen är maximerad.
    3. Koppla fibern från kaviteten och locket den optiska porten. Ta en bakgrund läsning med samma antal medelvärden som i föregående steg, med provet fortfarande i resonatorn, men inte längre belyses.
    4. Subtrahera bakgrunds spår från signalspåret.
  3. Bearbeta rådata till rörlighet per laddningsbärare
    1. Beräkna förändringen i reflekterad effekt via
      Ekvation
      OBS: Var Ekvation är baslinjevärdet av rå transient (före belysning) och Ekvation är den råa transienta data.
      OBS: Om detektorn mäter spänning inte makt (t.ex. Diod + oscilloskop), sedan en skalfaktor måste inkluderas. Skalfaktorn brukar citeras av diode tillverkaren; annars kan erhållas genom att utföra en kalibrering av utspänning vs input mikrovågseffekt.
      Ekvation
    2. Omvandla ändringen i reflekterad effekt till rörlighet per laddningsbärare (dvs skala om transient) via:
      Ekvation
      OBS: Var Ekvation motsvarar utgången av laserpulsen, Ekvation är ansvarig för en elektron, Ekvation är förhållandet mellan de korta och långa dimensionerna hos kaviteten och Ekvation är antalet absorberade fotoner per cm 2 och Ekvation (Ω) relaterat den reflekterade mikro power till förändringen av konduktansen AG. Detta omskalning möjliggör meningsfull jämförelse av TRMC transienter tagna vid olika lasereffekter och våglängder.
      NOTERA: Ekvation är faktiskt den totala rörlighet elektron och hål. Men vi kan inte skilja mellan dessa bidrag med hjälp av TRMC, och därför klumpa vi dem tillsammans för enkelhets skull.
    3. Montera TRMC spår med en lämplig modell.
      OBS: Detta är enkelt om data följer en enkel eller dubbel exponentiell form. Men de uppgifter som den har en enkel form kan det vara nödvändigt att montera data till en kinetisk modell, vilket innebar montering av lösningen av en ODE (se figur 7). Beslaget ekvationen / modell bör faltas med ett instrument svarsfunktionen (t.ex. Gauss centrerad vid t = laser med en bredd som motsvarar svarstiden för instrument som begränsar den temporala upplösningen av data.) </ Li>

7. Undersöka de reella och imaginära komponenterna av konduktivitet

  1. Mätning TRMC spår som en funktion av mikro sond frekvens
    OBS: (komplexa) konduktivitet dynamik kan dekonstrueras i den verkliga (konduktivitet) och imaginära (polarisering) komponenter genom att ta flera TRMC spår vid mikrovågsfrekvenser spänner resonanskurvan för den laddade kaviteten.
    1. Bestämma resonansfrekvensen Ekvation av hålrummet med provet i mörkret från S21 kavitetsresonansfrekvens kurvan (se figur 6).
    2. Välj x> 20 frekvenspunkter Ekvation längs denna resonanskurvan. Dessa punkter kommer att användas för att passa en Lorentz funktion, så det är bäst om det finns fler punkter nära den mörka resonansfrekvensen fc (se Figur 9).
    3. Ställ excitationsvåglängden beroende på polariserings dynamiken av intresse (t.ex. ovan bandgap gratis bärare polarisering, under bandgap för instängd laddning polarisering).
    4. Ställa in lasereffekten till maximum (detta kommer att ge den högsta S / N).
    5. Mäta lasereffekt ut ur fibern. Placera sonden mikrovågsfrekvensen med resonansfrekvensen hos hålrummet i mörker Ekvation .
    6. Skaffa en TRMC spår som beskrivs i avsnitt 6. Upprepa mätningen som beskrivs ovan på en fast laserintensiteten för Ekvation .
  2. Frekvens uppgifter efterbehandling: dekonstruktion i reella och imaginära delar
    1. Plot TRMC transient ström Ekvation som en funktion tid och sond mikrovågsfrekvenses / ftp_upload / 55232 / 55232eq116.jpg "/>, såsom visas i figur 8.
    2. Komplott Ekvation och Ekvation , Den TRMC ström vid t = 0 och vid t = slut på laserpuls för varje mikrovågsfrekvens, såsom visas i figur 8.
    3. För varje skiva i tid Ekvation , Konstruera en resonanskurva Ekvation .
    4. Passar in i denna kurva med en Lorentz för erhållande av resonansfrekvensen Ekvation Och resonanseffekt Ekvation .
    5. Komplott Ekvation mot Ekvation för erhållande av en hysteres-liknande polärtsering evolution plot (se infällda i figur 8).
    6. Beräkna den normaliserade gående frekvens och övergående maktskifte via:
      Ekvation
      Ekvation
    7. Plotta ändringen i resonansfrekvensen Ekvation Ändra i resonans makt Ekvation och förändringar i övergående effekt vid håligheten mittfrekvensen Ekvation , Såsom visas i fig 10.

8. Intensitet Beroende Data Suite

  1. Tune lasern till en våglängd av intresse, som bestämts enligt punkt 2.2.5.
  2. Ställ in lasereffekt till max.
  3. Mäta lasereffekt ut ur fibern.
  4. Ansluta fibern till kaviteten.
  5. Skaffa en enda TRMC transient som beskrivs i avsnitt 6.
  6. Sätt ett ND-filter någonstans mellan lasern och fibern (antingen mellan två iris, eller strax före fiberkopplare. För lasrar med en fiber utgång, måste ND-filter placeras mellan fiberutgång och hålrummet optisk port).
  7. Beräkna och registrera den modifierade antalet absorberade fotoner som beskrivs i 6.1.5.
  8. Skaffa en enda TRMC transient som beskrivs i avsnitt 6.
    OBS: eftersom dämpningen ökar, kommer det att bli nödvändigt att öka antalet medelvärden.
  9. Upprepa 8,6-8,8 så många kombinationer av ND-filter som behövs.
    OBS: Intensitets beroenden observeras ofta över flera tiopotenser. Den höga effekten gränsen sätts av den maximala utgångslasereffekt vid en given våglängd. Den låga effektgränsen sätts av känsligheten hos inställningsdetektering.

9. våglängdsberoende Data Suite

OBS: I order att jämföra TRMC transienter vid olika våglängder måste lasern kalibreras vid varje våglängd så att inducerades sedan bärarkoncentration är konstant.

  1. Bestäm våglängden som begränsar den maximala uppnåeliga inducerad laddningsbärare densitet N bärare. Detta kan begränsas av lasereffekten som finns tillgänglig vid denna våglängd eller av absorptionsegenskapema hos provet. Till exempel, vid mätning TRMC transienter vid våglängden spänner över ovanstående bland och under bandgap regim, kommer den låga absorption vid under bandgap våglängder begränsa den maximala bärardensiteten.
  2. Beräkna lasereffekt som krävs för att generera denna ständiga referens bärare densitet N företag vid varje våglängd med hjälp av:
    Ekvation
  3. Avstämma lasern till den önskade våglängden. Ställ in lasereffekt till det värde som beräknas i 9,2. Ansluta fibern till kaviteten. Skaffa en enda TRMC transient som beskrivs iavsnitt 6. Upprepa steg 9,3 för varje våglängd av intresse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De representativa resultat som presenteras här erhölls från en 250 nm CH 3 NH 3 PBI tre tunnfilmsprov.

Dynamiken i konduktiviteten Ekvation kan relateras till dynamiken i laddningsbärarna Ekvation via

Ekvation

förutsatt att laddningsbäraren mobiliteter Ekvation är konstanta i tiden, åtminstone på tidsplanen för förfall. Vidare under förutsättning att ingen rekombination av det ursprungligen bildade laddningsbärare sker under laserpulsen, den högsta (slut-på-puls) förändring i conductance kan skrivas som:

Ekvation
Ekvation

var Ekvation är ansvarig för en elektron, Ekvation är den maximala fotoinducerad laddningsbärare densitet, Ekvation är fotonintensitet som infaller på provet (fotoner / cm 2), Ekvation är den interna kvanteffektiviteten och Ekvation är den fraktion av infallande ljus som absorberas vid en given våglängd, som kan beräknas från absorptionsspektrum (se Figure 1). Den TRMC topp Ekvation motsvarar därför den inneboende (mikrovågsugn) laddningsbärare rörlighet av provet.

Det är viktigt att notera att den angivna ledningsförmågan är en genomsnittlig ledningsförmåga genom hela filmen 14, Ekvation . Beskrivningen ovan förutsätter en homogen fotoinducerad bärartäthet hela provet, som gäller för prover med en tillräckligt låg optisk densitet, så att effektförlusten är i allmänhet enhetlig i hela provet. Medan inducerad laddningsbärare homogen (som kan approximeras via Beer-Lambert lag) försvårar analysen av fotoinducerad ledningsförmåga lutning, det inte påverkar inte korrekt kvantisering av Ekvation Eftersom den totala förändringen i ledningsförmåga är independent bärare koncentrationsgradient. Emellertid kan icke-uniform bärarkoncentration påverka högre ordningens icke-linjära processer i provet.

En generell modell med direkt och en nivå trap-medierad rekombination visas nedan 7.

Ekvation
Ekvation
Ekvation

var Ekvation är elektron hål och fälla populationer, Ekvation är den generation hastigheten, Ekvation är bimolekylära rekombination hastigheten, fånga hastigheten och fällan recombination hastighet respektive. Genom att montera TRMC data med en kinetisk modell som den som beskrivits ovan invecklad med en Gauss instrument svarsfunktion, är det möjligt att inte bara bestämma bärare livstid och fälla täthet, men också karakterisera direkta och fälla-medierad rekombination processer. Figur 7 visar ett representativt passform med användning av parametrarna i tabell 1.

Särskild försiktighet bör iakttas vid fastställandet av unika i lämpliga parametrar. Det är användbart om kostnads experiment kan utföras för att validera en av de tidsramar (t.ex. tidsupplöst PL mätning kan användas för att erhålla den direkta rekombineringshastigheten.

Om en sönderfalls svans är i data, är det viktigt att få fram data tillräckligt länge för att korrekt representera denna svans förfall: passar samma data beskäras till en kortare tidsperiod kan leda till different tidsramar. Lågintensiva sönderfalls svansar kan vara särskilt svårt att passa exakt om svansen försvinner in i brusgolvet av instrumentet.

För vår setup, är den temporala upplösningen begränsas av svarstiden av vektorn nätverksanalysator, som har en svarstid på ungefär 60 ns. Q-faktorn för mätningarna som presenteras här är ca 150, med en motsvarande hålighet responstid på ca. 7 ns. För alternativa mikrovågsugn detektions uppställningar med en snabbare responstid (t ex mikrovågsugn diod och oscilloskop), kan hålrummet livstid begränsa tidsupplösning.

Mikrovågsugnen frekvensberoende TRMC sönderfall kan användas för att dekonstruera komplexa ledningsförmåga i dess verkliga (konduktivitet) och imaginära (polariserbarheten) komponenter. Figur 8 visar den råa TRMC spår som tagits som en funktion av sond mikrovågsfrekvens, spänner23 frekvenser över resonanskurvan av den mörka hålrum. Till vänster finns 3 representativa spår (rådata). Observera att data som tas bort resonans kan visa en förvrängd förfall profil, med positiva och negativa lober, eller till och med bli inverterad. Till höger är en 3D-representation av mikrovågseffekten som funktion av tid och frekvens P (t, f). Vid t = 0, de TRMC baslinjer rekonstruera resonanskurvan för den belastade håligheten. En maximal förskjutning i både effekt och frekvens av de reflekterade mikrovågor sker vid t ≈ 7 ps (end-of-puls).

Den dynamiska förskjutning i resonanskurvan av kaviteten som ett resultat av överskjutande fotoinducerad laddningsbärare visas i Figur 9. Denna förskjutning kan eller inte kan vara betydande, beroende på de dielektriska egenskaperna hos materialet (dvs om den komplexa lednings har en imaginär komponent eller inte). Den röda kurvan rekonstrueras från baslinjen TRMC spår tasvid flera mikrovågsugn sondfrekvenser. Detta spår motsvarar den mörka hålighet resonans. Den blå kurvan rekonstrueras från slutet av pulsen TRMC kraft tas på flera frekvenser. Den infällda bilden visar utflykten av resonansfrekvensen mot resonans effekt under sönderfall.

Polarisering dynamik kan användas för att skilja mellan direkta och fälla-medierad rekombination vägar. Figur 10 visar en dekonstruktion av en TRMC spår i bidrag från de reella och imaginära komponenterna av konduktiviteten. Den röda kurvan är TRMC uppgifter tas vid en fast frekvens Ekvation , Resonansfrekvensen för den mörka laddad kavitet. Detta är en typisk TRMC mätning av komplexa ledningsförmåga. Sönderfallet av den reella delen av ledningsförmågan (resonans effekt som erhålls från montering) plottas i den gröna kurvan. Sönderfallet av polariseringen (resonans frekvensernay) visas i blått. Polariseringen förfall uppvisar en betydligt mindre förfall svans än konduktiviteten förfall. Detta innebär att vid långa tider, är de laddningsbärare bidrar mer till ledningsförmåga då de är till polarisation, vilket är förenligt med sönderfall via lokaliserade infångade tillstånd.

Andra ordningens interaktioner av fotoinducerad laddningsbärare kan undersökas via excitation intensitet beroende av laddnings bärare dynamik. Figur 11a visar TRMC spår tagna vid 530 nm excitation vid olika exciteringsintensitet spänner två storleksordningar, från 10 12-10 14 absorberade fotoner / cm2. De TRMC spåren uppvisar två distinkta tidsramar, vilket indikerar närvaron av två distinkta nedbrytningsmekanismer: Den snabba sönderfall (som sker i storleksordningen 100 ns) tillskrivs direkt rekombination processer medan den långa svansen förfall tillskrivs trap-medierad rekombination.Medan signalen ökar normalt med ökande lasereffekt, rörlighet Ekvation av CH 3 NH 3 PBI 3 perovskiten minskar med ökande exciteringsintensitet, såsom visas i figur 11b. Intensiteten (och därför bärartätheten) beroende är sub-linjär, vilket indikerar närvaron av högre ordning sönderfallsprocesser.

Beroendet av laddningsbärare sönderfallsvägar på infallande fotonenergi (våglängd) visas i fig 12. Våglängder av 530, 750 och 780 nm valdes att representera ovan bland och under bandgap regimen, som bestäms av absorptionsspektrum (Figur 1). Med hänsyn till de olika absorptionskoefficienter vid dessa våglängder, ades TRMC spår tas vid lasereffekter som resulterade i en absorberad foton densitet av 5 x 10 12 fotoner / cm2för varje spår. Det är tydligt att medan sönderfallstidsramar är oberoende av excitationsvåglängden, är antalet tillgängliga fälla stater (som bidrar till förfall vägen är ansvarig för den långa förfall svans) större för ovan bandgap tillstånd då för dem nära bandgap.

Figur 1
Figur 1: absorptionsspektrum CH 3 NH 3 PBI 3. Absorptionsspektrumet används för att både bestämma den spektrala området av intresse, liksom för kalibrering av den absorberade lasereffekten. Bandgap av detta prov är ca 750 nm, med svans stater som sträcker sig till 780 nm. Våglängder av intresse kan omfatta över bandgap ordning (λ <700 nm), bandgap (λ = 750 nm) och svans tillståndsområdet (750 nm <λ <780 nm). Snälla duklicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2: Allmän TRMC experimentella schema. Ett prov placeras i en mikrovågsugn hålighet fotoexciteras via optiska excitation setup, samtidigt som sonderade med mikrovågsugn detekteringskretsar. Lasern ger en trigger för synkronisering mätning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3: Optisk inställning. En avstämbar våglängd laser används för att optiskt Excite laddningsbärare i ett prov placeras i en mikrovågsugn hålighet. En parabolisk spegel används för att koppla den fria utrymmet laser in i en optisk fiber. Neutrala täthetsfilter används för att erhålla väl kalibrerad laserpotensserie. Två iris används för att eliminera tvärbalkar som kan skada fibermantel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4: Microwave hålighet. Överst till höger: bild av kaviteten. Överst till vänster: HFSS hålighet simulering visar att det elektriska fältet är ungefärligen enhetlig och maximal vid provposition. Botten: modell av hålrummet. Ett litet hål i mikrovågsugn kort tillåter optisk access in i håligheten. En Teflon diffusor används för att säkerställa det ljus som infaller på provet är rumsligt likformig. Provet placeras i en Teflon provhållare vid den maximala elektriska fältet position. En iris används för att definiera den främre änden av håligheten. En inställningsskruv används för att optimera Q-faktorn av kaviteten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5: Microwave detekteringsschemat. En vektor nätverksanalysator används som både en mikrovågskälla och såsom en IQ-detektor. Utsignalen mikrovågseffekt är uppdelad i två vägar: en exciterings arm och en detekteringsarmen. Mikrovågsugnen excitation passerar genom en cirkulator i ett hålrum, där det interagerar med ett prov. Reflekterade mikrovågseffekten passerar genom cirkulations till en förstärkare innan detektorn. Signalen är uppdelad i två, och hälften blandas med den ursprungliga mikrovågssignalen (vilket gav den i-fas-signalen I) och den andra hälften är blandad med den ursprungliga mikrovågssignalen fasskiftad med 90 ° (vilket gav denkvadraturkomponenten hos signalen Q). Slutligen är amplituden för signalen beräknas via Ekvation .

Vektorn nätverksanalysator kan användas både i tidsdomänen (för att erhålla TRMC spår vid en fast frekvens) och i frekvensdomänen (för att erhålla ett stabilt tillstånd S21 hålighet reflexionskurva), utan att ändra belastningen på kaviteten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6: Resonance kurva laddade kaviteten. En linjär skala resonanskurva används för att beräkna kaviteten känslighetsfaktor. Den Lorentzisk fit (blå) används för att extrahera den resonansfrekvens, FWHM bandbredd och minimum reflekterad effekt R Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 7
Figur 7: Fit med ODE. Normaliserad TRMC spår, passform med en kinetisk modell invecklad med en Gauss instrument svarsfunktion som beskriver direkta och fälla-medierad rekombination processer. Data visas på en log-log-kurva för att markera förekomsten av en låg amplitud svans förfall. Laserpulsen uppträder vid t ≈ 7 x 10 -6 s. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

fit parameter k 2 (cm -1) k T (cm 3 s -1) k R (cm 3 s -1) N T (cm 3)
värde 6,50 × 10 -10 7,90 × 10 -8 1,10 × 10 -9 1,60 × 10 16

Tabell 1: Fitting parametrar. Fit parametrar TRMC spår tas vid 530 nm excitation med 6,4 x 10 14 absorberas ph / cm2.

Figur 8
Figur 8: Microwave frekvensserie. Råa TRMC spår tas som en funktion av sond mikrovågsfrekvens, som spänner över 23 frekvenser över resonanskurvan av den mörka håligheten. Till vänster finns 3 representativa spår (rådata). På höger är en 3D-representation av mikrovågseffekten som funktion av tid och frekvens P (t, f). En t = 0, TRMC baslinjer rekonstruera resonanskurvan för den laddade kaviteten. Vid t ≈ 7 ^ s (slut-på-puls), finns det en uttalad förskjutning i resonanskurvan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 9
Figur 9: fotoinducerad hålighet resonans skift. Resonanskurvor rekonstrueras från TRMC spår innan (röd) och strax efter (blå) belysning. Resonanskurvan skiftar både i amplitud (förändring i verkliga konduktivitet) och frekvens (förändring i imaginära ledningsförmåga). Den infällda spår utvecklingen av resonans makt vs frekvens under sönderfall. jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10
Figur 10: Decay dynamiken i den reala vs imaginära ledningsförmåga. Den röda kurvan är TRMC data som vid en fast frekvens fc, resonansfrekvensen för den mörka laddade kaviteten. Den gröna kurvan är förändringen i kraft vid resonansfrekvensen, som erhållits från montering. Den blå kurvan är ändringen i resonansfrekvensen som en funktion av tiden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 11
Figur 11: Intensitet serien. Vänster: Intensiteten beroende prov rörlighet les / ftp_upload / 55232 / 55232eq74.jpg "/> tas vid olika exciteringsvåglängder mellan 530 och 780 nm höger:... TRMC transienter tas som en funktion av lasereffekt ND-filter används för att dämpa lasereffekt av en känd mängd Den intensitet motsvarar antalet absorberade fotoner / cm2. laserpulsen uppträder vid t ≈ 7 x 10 -6 s. klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 12
Figur 12: Våglängd serien. Normaliserade TRMC spår tagna vid en fast fotontäthet av 5 x 10 12 absorberade fotoner / cm 2 vid excitationsvåglängd av 530, 750 och 780 nm. Laserpulsen uppträder vid t ≈ 7 x 10 -6 s./ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55232/55232fig12large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Medan TRMC teknik kan erbjuda en mängd information om fotoinducerade laddningsbärarkoncentrationer dynamik, är detta ett indirekt mått på ledningsförmågan, och bryr sig därför måste tas vid tolkning av resultaten. Den TRMC teknik mäter total rörlighet, och kan inte användas för att skilja mellan elektron och hål rörligheter. Det underliggande antagandet att ledningsförmågan är proportionell mot förändringar i reflekterad effekt innehåller endast när ändringen är liten (<5%) 16. Dessutom, om förskjutningen i resonansfrekvensen under sönderfallet är stort, då den totala (komplex) ledningsförmåga måste dekonstrueras i sina reella och imaginära komponenterna innan data kan analyseras. Den TRMC tekniken är känslig för förändringar i den imaginära delen av den dielektriska konstanten, som kan ha bidrag inte bara från den elektriska ledningsförmågan utan också från dielektrisk förlust på grund av dipol omorientering. Denna teknik kan inte användas för att särskiljamellan dessa två mekanismer, och vi antar här att den elektriska ledningsförmågan är den dominerande bidrag till den imaginära dielektricitetskonstant, som är en bra förutsättning för kristallina material, men kan inte gälla för prover i lösning.

I syfte att erhålla absoluta snarare än relativa mätningar kräver TRMC tekniken omfattande kalibrering. I synnerhet för att kalibrera den optiska konfigurationen bestämma de absorberade fotoner / infallande fotonerna är av avgörande betydelse att erhålla exakta mobiliteter. I princip är det möjligt att använda kvantitativa TRMC på flytande eller pulverprover; emellertid noggrann karakterisering av absorptionen av dessa prover kan vara svårt.

Kalibreringen av kaviteten känslighetsfaktor kan också vara svårt om den dielektriska konstanten Ekvation av materialet är okänd. I detta fall måste hålrummet känslighet erhållas antingen genom att modellera reflvsnitt parametrar hålrummet med hjälp av högfrekvent elektromagnetisk simulator en, 14, eller med hjälp av en tunn (<1 mikrometer) kalibreringsprov som har en liknande belastning på kaviteten som provet under test. Om kaviteten känsligheten inte kan mätas, är det möjligt att erhålla meningsfulla relativa mätningar (t.ex. som en funktion av intensitet eller våglängd) och extrahera dynamisk information.

mätningar AC rörlighet kan vara flera tiopotenser högre än de som erhålls genom DC-mätningar mycket som flygtiden (TOF) eller foto CELIV mätningar. Till exempel är DC rörlighet polymermatriser domineras av mellan kedjorna transport, vilket leder till en rörlighetsstorleksordningar mindre än den som erhålles med användning av TRMC 17. Detta beror på att DC-mätningar ger en effektiv rörlighet genom en enhet, medan AC mobiliteter är inneboende rörligheter i materialet, opåverkat avmaterialkontaktinteraktioner, eller störningar av termisk drift hastighet av laddningsbärare till följd av stora drivspänningar. mätningar DC och AC rörlighet kan användas tillsammans för att undersöka laddningstransport genom solceller eller elektroluminescent enheter: TRMC mätningar klarlägga inneboende mekanismer laddningsbärare transport medan DC mätningar kan användas för att identifiera den dominerande mekanismen för materialtransport i en enhet.

En mycket användbar förlängning av TRMC experimentet är tillägget av en tidsupplöst fotoluminescens programmeras för att övervaka sönderfallet av laddningsbärare via direkt rekombination. På detta sätt kan PL mätningen användas för att entydigt skilja direkt rekombination vägen från andra sönderfalls mekanismer som bidrar till TRMC förfall, och betydligt snabbare montering förfarande.

Det finns flera anknytningar till TRMC tekniken. Till exempel, Field inducerade TRMC, i vilken TRMC measurements utförs på en enhet under ett elektriskt fält förspänning som åstadkommer ett stabilt tillstånd injektion av bärare, kan användas för att sondera gräns trap platser i anordningen 18.

Vissa av de begränsningar i TRMC teknik kan övervinnas genom att jämföra flera prover.

Till exempel medan en enda TRMC mätning inte kan skilja mellan elektron- och håls mobiliteter, är det möjligt att jämföra en välstrukturerad prov med ett prov placeras i en elektron eller ett hål acceptera skiktet 3. Dessutom kan TRMC inte användas för att skilja mellan yta eller bulk fällor, men det är möjligt att jämföra opassiverad vs passiverade prover för att bestämma bidraget av fällor ytan till fällan medierad sönderfallsprocess 6. Alternativt skulle en serie av tunna filmer med ökande tjocklek användas för att bestämma om det finns en yta / volymförhållande beroende av fällan densitet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics