Бесконтактный метод оценки характеристик фотоэлектрических материалов

На первый взгляд может показаться, что между характеристиками постоянного тока солнечных элементов и составляющих их фотоэлектрических (PV) материалов и радиочастотным миром микроволн и терагерцовой (ТГц) энергии мало общего. Конечно, тесная связь существует на уровне атомной физики, поскольку подвижность и время жизни электронов и дырок в фотоэлектрическом материале преобразуются в индуцированный светом ток в фотоэлектрических системах при возбуждении электромагнитным излучением.

Два параметра — подвижность и время жизни — являются одними из наиболее важных свойств полупроводника, который будет использоваться в качестве солнечного элемента, поскольку желательна большая подвижность носителей заряда для обеспечения эффективной инжекции и извлечения заряда. 

Оба параметра могут быть измерены бесконтактными спектроскопическими методами с использованием терагерцового или микроволнового излучения. Однако результирующие данные измерений, встречающиеся в литературе, часто отличаются на порядки. Это затруднило использование результатов для надежной оценки качества материалов.

Высокоточное определение характеристик PV-материала

В последние годы особое внимание привлекли перовскитные полупроводники, поскольку они относительно недороги, просты в обработке и обеспечивают высокую эффективность. Исследователи из Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) разработали метод более точного определения потенциальных характеристик фотоэлектрических материалов (перовскитов), без необходимости изготовления солнечных элементов. Специалистам из Helmholtz-Zentrum Berlin удалось объединить опыт 15 лабораторий для количественного моделирования и анализа вольт-амперных характеристик солнечного элемента на основе моделирования процессов.

TRMC и OPTP

Подвижность, так и время жизни носителей заряда можно исследовать без физического контакта с образцом, используя  спектроскопию микроволновой проводимости с временным разрешением (TRMC) и терагерцового зонда с оптической накачкой (OPTP), что делает их отличными инструментами для изучения характеристик фотогальванических материалов (рис. 1) . OPTP может отслеживать быстрые процессы, такие как захват дефектных состояний и образование экситонов, в то время как TRMC чувствительна к более медленным процессам, таким как долгоживущие захваченные носители или слабая рекомбинация в материале, например, галогенидных перовскитах.

Рис. 1. Кратко об OPTP и TRMC: Иллюстрация (a) измерений терагерцового зонда с оптической накачкой (OPTP) и (б) измерений микроволновой проводимости с временным разрешением (TRMC). (c) Переходные процессы фотопроводимости, измеренные на пластине InP и на тонкой пленке перовскита. (d) Терагерцовая спектроскопия с временным разрешением (TRTS) на InP – версия OPTP с частотным разрешением – дает спектры действительной и мнимой частей подвижности.

Бесконтактный характер измерения является основным преимуществом OPTP и TRMC по сравнению с более традиционными методами, такими как измерение проводимости по величине тока и измерение с помощью эффекта Холла. Преимущество метода связано с тем, что в нем исключены проблемы с интерфейсом, такие как контактное сопротивление, непреднамеренное легирование и ограничение полосы пропускания, что позволяет изучать непокрытые пленки и даже порошки. Однако эти измерения электрического потенциала, соответствующего условиям работы солнечной батареи, не могут быть применены напрямую из-за отсутствия тех самых контактов.

Новый процесс измерения

Следовательно, условия измерения OPTP и TRMC должны быть переведены в специфику тонкопленочного устройства, что приводит к различным интерпретациям из-за тонкостей и различий в моделях, используемых разными организациями. Чтобы преодолеть это препятствие, команда HZB работала совместно с другими лабораториями правила интерпретации в отношении измерений TRMC и OPTP, используя в качестве примера тонкую пленку галогенидного перовскита (Cs,FA,MA)Pb(I,Br)₃.

Процесс измерения представляет собой сложную многоступенчатую последовательность действий:

• Первый шаг — охарактеризовать захват носителей и образование экситона (экситон — это связанное состояние электрона и электронной дырки, которые притягиваются друг к другу электростатической кулоновской силой), поскольку соответствующие квантовые выходы имеют решающее значение для определения соответствующих времен жизни и подвижности электронов и дырок (рис. 2) .
• Во-вторых, материал подвергается непрерывному освещению “1 sun”, в то время как спектроскопия OPTP и TRMC измеряется после импульсного возбуждения.
• В-третьих, OPTP-спектроскопия (рис. 3) или TRMC-спектроскопия (рис. 4) используются для измерения подвижности носителей заряда в электрических полях, чередующихся на терагерцовой или гигагерцовой частотах соответственно, которые должны быть переведены в постоянный транспорт через тонкопленочные солнечные батареи.
• Наконец, точность результатов определялась межлабораторным сравнением. Устранение несоответствий и достоверное предоставление окончательных данных было основной целью проекта.

Рис. 2. Исследование формирования экситона и захвата носителей заряда

Рис. 3. Установка ОПТП основана на фемтосекундной лазерной системе. Лазер генерирует однотактные импульсы терагерцового излучения путем оптического выпрямления оптического фемтосекундного лазерного импульса или с помощью фотопроводящих переключателей. Сгенерированные терагерцовые импульсы распространяются через свободное пространство к образцу, а прошедшая или отраженная часть детектируется с помощью электрооптической выборки с другим импульсом fs лазера во втором кристалле или с помощью фотопроводящего переключателя. Дополнительный оптический импульс накачки фотовозбуждает образец и вызывает индуцированное накачкой изменение пропуская (или отражения) терагерцового диапазона.

Рис. 4. В системе TRMC образец исследуется с помощью микроволнового излучения (обычно 5-30 ГГц, здесь 8 ГГц). Микроволны генерируются с помощью источника, такого как генератор, управляемый напряжением (VCO) или диод Ганна, и направляются в микроволновый резонатор через небольшую апертуру (диафрагму). Распределение и интенсивность микроволн в резонаторе сильно зависят от свойств резонатора и диафрагмы, но обычно устанавливается условие резонанса, при котором резонатор заполняет одна полная длина волны.

Оба метода исследуют образование и кинетику фотовозбужденных электронов, дырок и экситонов путем измерения переходных процессов фотопроводимости, а также подвижности. Импульсы оптической накачки вызывают фотогенерацию носителей заряда в образце (перовскит). В зависимости от их подвижности эти носители ускоряются в поперечном направлении в электрическом поле терагерцового зондирующего импульса или стоячей микроволны в резонаторе, которые чередуются на терагерцовой или гигагерцовой частотах соответственно.

При этом фотогенерированные носители приобретают колебательную дрейфовую скорость, и тем самым часть терагерцового или микроволнового излучения поглощается. Соответствующее вызванное накачкой изменение передаваемого терагерцового электрического поля (ΔE/E) или отраженной микроволновой мощности (ΔP/P) измеряется. Измерения TRMC и OPTP показывают подвижность носителей заряда, колеблющихся на частотах ГГц и ТГц.

Объединив опыт 15 лабораторий, работа HZB выявила источники ошибок. Таким образом, он обеспечивает модель «наилучшей практики» для интерпретации измерений фотогальванических материалов, чтобы лучше предсказывать их потенциальные характеристики в солнечных элементах (рис. 5) .

Рис.5. Различия в данных о мобильности носителей, полученных в терагерцовом и микроволновом диапазонах: (а) по участвующим лабораториям и (б) с разбивкой по типам ошибок.

Источник: www.electronicdesign.com