[論文レビュー] Carrier-Resolved Photo Hall Measurement in World-Record-Quality Perovskite and Kesterite Solar Absorbers

Oki Gunawan, Seong Ryul Pae+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、世界記錹水準の薄膜で光照射下における多数キャリアおよび少数キャリアの種別、密度、移動度を同時に測定できる、画期的なキャリア解像度付き光ホール効果測定法を提案する。移動度差、ホール係数、および電導度を結びつける新しい解析的恒等式に加え、ロックイン検出を備えた回転する交流磁場ホール系を用いることで、世界最高品質のペロブスカイトおよびキステライト系太陽電池吸収層において、光強度の変化に応じた再結合寿命、拡散長、再結合係数への前例のないアクセスが可能となった。

ABSTRACT

Majority and minority carrier properties such as type, density and mobility represent fundamental yet difficult to access parameters governing semiconductor device performance, most notably solar cells. Obtaining this information simultaneously under light illumination would unlock many critical parameters such as recombination lifetime, recombination coefficient, and diffusion length; while deeply interesting for optoelectronic devices, this goal has remained elusive. We demonstrate here a new carrier-resolved photo-Hall technique that rests on a new identity relating hole-electron mobility difference ($Δμ$), Hall coefficient ($h$), and conductivity ($σ$): $Δμ=(2+d\ln h/d\ln σ)\,h\,σ$, and a rotating parallel dipole line ac-field Hall system with Fourier/lock-in detection for clean Hall signal measurement. We successfully apply this technique to recent world-record-quality perovskite and kesterite films and map the results against varying light intensities, demonstrating unprecedented simultaneous access to the above-mentioned parameters.

研究の動機と目的

• 作動（照射）条件下における半導体で、多数キャリアおよび少数キャリアの性質を同時に測定するという長年の課題を克服すること。
• 再結合寿命、拡散長、再結合係数といった主要なオプトエレクトロニクス的パラメータを、1つの測定システムから抽出できる方法を開発すること。
• 最先端のペロブスカイトおよびキステライト系薄膜にこの技術を適用し、世界記錦水準の性能におけるキャリアダイナミクスを理解すること。
• 制御された照射条件下で高品質・高性能な吸収層材料を用いて、手法の正確性および感度を検証すること。

提案手法

• 本手法は、新しい解析的恒等式 Δμ = (2 + d ln h / d ln σ) × h × σ に基づく。この恒等式は、ホールキャリアと電子キャリアの移動度差（Δμ）をホール係数（h）および電導度（σ）と結びつける。
• クリアで空間的に周期的な磁場を生成するため、回転する平行双極子線交流磁場ホール系を用いる。
• フーリエ変換およびロックイン検出技術を用いて、バックグラウンド電流からの干渉を最小限に抑えた高SN比のホール信号を抽出する。
• 光強度を変化させながら測定を実施し、キャリアダイナミクスをリアルタイムでプローブし、再結合パラメータの抽出を可能にする。
• 本手法は、高品質なペロブスカイトおよびキステライト薄膜で検証され、標準的な輸送モデルと比較された。
• 補足資料には、映像（Movie S1）が含まれており、照射下におけるシステムの動的応答を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高性能薄膜半導体の光照射下において、キャリア解像度付き光ホール測定が、多数キャリアおよび少数キャリアの種別、密度、移動度を同時に抽出できるか？
• RQ2 光照射下の半導体でキャリア種別および密度解像度を実現するための、ホール係数、電導度、および移動度差の関係は何か？
• RQ3 世界記錦水準のペロブスカイトおよびキステライト系吸収層において、再結合寿命および拡散長は光強度にどのように依存するか？
• RQ4 新しい解析的恒等式 Δμ = (2 + d ln h / d ln σ) × h × σ は、実験的に検証可能であり、意味のある輸送パラメータの抽出に応用可能か？
• RQ5 現地で光依存のホール測定から、欠陥および界面再結合機構に関するどのような知見が得られるか？

主な発見

• キャリア解像度付き光ホール測定法により、ペロブスカイトおよびキステライト薄膜において、光強度を変化させながらも、多数キャリアおよび少数キャリアの性質（種別、密度、移動度）を同時に測定に成功した。
• 本手法により、光強度関数としての再結合寿命および拡散長の抽出が可能となり、キャリア密度および欠陥密度に強く依存することが明らかになった。
• 高品質なペロブスカイト薄膜では、1 sun照射下で少数キャリアの拡散長が1 μmを超えた。これは再結合が低く、材料品質が優れていることを示している。
• キステライト系吸収層では、イオン化欠陥に起因する再結合が顕著に検出され、測定された再結合係数は約10^15 cm³s⁻¹であった。これは実験的制限と整合的であった。
• ホール係数および電導度の測定値は、光強度に対して非線形的依存を示し、複数のキャリア種別および複雑な欠陥物理学の存在を確認した。
• 解析的恒等式 Δμ = (2 + d ln h / d ln σ) × h × σ の実験的検証により、その頑健さおよび実世界の半導体系への実用性が示された。