[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究提出了一种新型载流子分辨光霍尔技术，可在光照条件下同时测量高质量钙钛矿和铜锌锡硫属族太阳能吸收层中多数载流子和少数载流子的类型、浓度和迁移率。通过利用一种新的解析关系式，将迁移率差、霍尔系数与电导率关联起来，并结合旋转交流磁场霍尔系统与同步检测技术，该方法实现了对不同光照强度下复合寿命、扩散长度及复合系数的前所未有的精确测量，适用于世界纪录级性能的薄膜材料。

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.

研究动机与目标

• 为解决长期以来在工作（光照）条件下同时测量半导体中多数载流子和少数载流子特性的难题。
• 开发一种能够从单一测量系统中提取关键光电参数（如复合寿命、扩散长度和复合系数）的方法。
• 将该技术应用于最先进的钙钛矿和铜锌锡硫属族薄膜，以理解其在世界纪录性能水平下的载流子动力学行为。
• 通过在受控光照条件下使用高质量、高性能吸收层材料，验证该方法的准确性和灵敏度。

提出的方法

• 该方法基于一项新的解析关系式：Δμ = (2 + d ln h / d ln σ) × h × σ，该关系式将空穴与电子迁移率之差（Δμ）与霍尔系数（h）和电导率（σ）关联起来。
• 采用旋转平行偶极子线交流磁场霍尔系统，生成清晰的空间调制磁场，以实现对霍尔电压的精确检测。
• 利用傅里叶变换与同步检测技术，以高信噪比提取霍尔信号，最大限度减少背景电流的干扰。
• 在不同光照强度下应用该技术，实现实时探测载流子动力学，从而提取复合参数。
• 在高质量钙钛矿和铜锌锡硫属族薄膜上验证该方法，并与标准输运模型进行对比。
• 补充材料包括一段视频（视频S1），展示了系统在光照下的动态响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高性能薄膜半导体中，载流子分辨光霍尔测量是否能够在光照条件下同时提取多数载流子和少数载流子的类型、浓度和迁移率？
• RQ2 霍尔系数、电导率与迁移率差之间存在何种关系，使得在光照半导体中能够实现载流子类型和浓度的分辨？
• RQ3 在世界纪录级性能的钙钛矿和铜锌锡硫属族吸收层中，复合寿命和扩散长度如何随光照强度变化？
• RQ4 新的解析关系式 Δμ = (2 + d ln h / d ln σ) × h × σ 是否能够通过实验验证，并成功用于提取有意义的输运参数？
• RQ5 通过原位、光照依赖的霍尔测量，能够获得关于缺陷和界面复合机制的哪些新见解？

主要发现

• 载流子分辨光霍尔技术成功实现了在钙钛矿和铜锌锡硫属族薄膜中，在不同光照强度下同时测量多数载流子和少数载流子的类型、浓度和迁移率。
• 该方法实现了将复合寿命和扩散长度作为光照强度函数的提取，揭示了其对载流子浓度和缺陷浓度的强依赖性。
• 在高质量钙钛矿薄膜中，1个太阳光照下测得的少数载流子扩散长度超过1 μm，表明复合损失极低且材料质量优异。
• 对于铜锌锡硫属族吸收层，该技术揭示了显著的电离缺陷相关复合，测得的复合系数约为10^15 cm³s⁻¹，与实验限制条件一致。
• 霍尔系数和电导率测量显示出与光照强度的非线性依赖关系，证实了多种载流子类型的存在及复杂的缺陷物理行为。
• 对解析关系式 Δμ = (2 + d ln h / d ln σ) × h × σ 的实验验证，证明了其在真实半导体系统中的鲁棒性和实用性。