[논문 리뷰] Time-resolved imaging of non-diffusive carrier transport in long-lifetime halide perovskite thin films

Aravindan Sridharan, Nakita K. Noel외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 27.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 54인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 시간 해상도가 높은 형광 현미경을 사용하여 수명이 긴 할라이드 퍼보스카이트 박막에서의 실체 운반 메커니즘을 조사하며, 비확산성 운반 메커니즘이 드러나 있다. 고효율 박막인 FA₀.₈₅MA₀.₁₅Pb(I₀.₈₅Br₀.₁₅)₃와 아세토니트릴 처리된 MAPbI₃에서 비록 수명이 길지만, 예상보다 수십 배 이상 낮은 확산 계수를 보이며, 시간에 따라 변화하는 확산 행동은 짧은 시간과 긴 시간 스케일에서의 별개의 운반 영역을 나타낸다.

ABSTRACT

Owing to their exceptional semiconducting properties, hybrid inorganic-organic perovskites show great promise as photovoltaic absorbers. In these materials, long-range diffusion of charge carriers allows for most of the photogenerated carriers to contribute to the photovoltaic efficiency. Here, time-resolved photoluminescence (PL) microscopy is used to directly probe ambipolar carrier diffusion and recombination kinetics in hybrid perovskites. This technique is applied to thin films of methylammonium lead tri-iodide MAPbI$_3$ obtained with two different fabrication routes, methylammonium lead tribromide (MAPbBr$_3$), and an alloy of formamidinium lead tri-iodide (FAPbI$_3$) and methylammonium lead bromide FA$_{0.85}$MA$_{0.15}$Pb(I$_{0.85}$Br_${0.15}$)$_3$. Average diffusion coefficients in the films leading to the highest device efficiencies and longest lifetimes, i.e., in FA$_{0.85}$MA$_{0.15}$Pb(I$_{0.85}$Br$_{0.15}$)$_3$ and acetonitrile-processed MAPbI$_3$, are found to be several orders of magnitude lower than in the other films. Further examination of the time-dependence shows strong evidence for non-diffusive transport. In particular, acetonitrile-processed MAPbI$_3$ shows distinct diffusion regimes on short and long timescales with an effective diffusion constant varying over 2 orders of magnitude. Our results also highlight the fact that increases in carrier lifetime in this class of materials are not necessarily concomitant with increased diffusion lengths and that the PL quantum efficiency under solar cell operating conditions is a greater indication of material, and ultimately device, quality.

연구 동기 및 목표

• 시간 해상도가 높은 형광 현미경을 사용하여 하이브리드 퍼보스카이트 박막에서 양성자 운반과 재결합 동역학을 직접 탐색한다.
• 다양한 제조 방법이 MAPbI₃, MAPbBr₃ 및 FAPbI₃ 기반 합금에서의 실체 운반 특성에 미치는 영향을 조사한다.
• 퍼보스카이트에서 장수명이 높은 실체 수명이 높은 확산 길이와 효율적인 태양전지 성능과 관련이 있는지 확인한다.
• 태양전지 작동 조건 하에서 형광 양자 효율이 재료 및 장치 품질을 예측하는 데 어떤 역할을 하는지 평가한다.
• 고성능 퍼보스카이트 박막에서의 기초 운반 메커니즘—특히 비확산성 행동—을 규명한다.

제안 방법

• 시간 해상도가 높은 형광(TrPL) 현미경을 사용하여 퍼보스카이트 박막에서 실체 운동을 공간적·시간적으로 맵핑한다.
• 펄스 자극 후 형광 방출의 시간적·공간적 변화를 분석하여 실체 확산 계수를 측정한다.
• 아세토니트릴 처리를 통한 MAPbI₃ 및 FAPbI₃ 기반 합금의 고체 상태 확산 제조 방법을 포함한 다양한 방법으로 제조한 박막을 비교한다.
• 확산의 시간 의존성을 분석하여 짧은 시간과 긴 시간 스케일에서의 별개의 운반 영역을 식별한다.
• PL 붕괴 동역학에서 유도된 효과적 확산 계수를 사용하여 다양한 시간 스케일에서의 운반 행동을 정량화한다.
• 측정된 확산 계수와 실체 수명을 보고된 장치 효율성과 연관지어 재료 품질을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 할라이드 퍼보스카이트에서 장수명이 반드시 높은 실체 확산 길이를 의미하는가?
• RQ2 고효율 퍼보스카이트 박막에서 실체 운반의 성격—확산성인지 비확산성인지—는 무엇인가?
• RQ3 다양한 제조 방법이 MAPbI₃ 및 FAPbI₃ 기반 퍼보스카이트에서의 확산 계수와 운반 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 태양전지 작동 조건 하에서 형광 양자 효율이 장치 성능을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ5 고품질 퍼보스카이트 박막에서 짧은 시간과 긴 시간 스케일에서 별개의 확산 영역이 존재하는가?

주요 결과

• 가장 높은 효율을 보이는 퍼보스카이트 박막, 즉 FA₀.₈₅MA₀.₁₅Pb(I₀.₈₅Br₀.₁₅)₃와 아세토니트릴 처리된 MAPbI₃는 확산 계수가 예상되는 확산 운반에 비해 수십 배 이상 낮다.
• 아세토니트릴 처리된 MAPbI₃는 짧은 시간과 긴 시간 스케일에서 효과적 확산 계수가 2개 이상의 주기 수준으로 변화하며, 이는 비확산성 행동을 시사한다.
• 시간 해상도가 높은 PL 데이터에서 푸아르의 법칙이 붕괴됨으로써 비확산성 운반의 강력한 증거가 되며, 실체의 확산이 고전적 확산 스케일링을 따르지 않는다.
• 퍼보스카이트에서 장수명이 높다고 해서 높은 확산 길이가 보장되는 것은 아니며, 장수명 실체가 항상 태양전지 효율에 유리하다는 가정을 도전한다.
• 태양전지 작동 조건 하에서의 형광 양자 효율은 실체 수명만으로 평가하는 것보다 재료 및 장치 품질을 더 신뢰할 수 있는 지표이다.
• 결과는 고성능 퍼보스카이트에서 장거리 확산 이외의 메커니즘이 주로 운반을 지배하고 있음을 시사하며, 이는 구간 운반 또는 트랩 보조 수소 운반과 같은 메커니즘을 포함한다.