Factors Affecting the Measurement of Perovskite Mobility by Space Charge Limited Current Method

Yongtao HUANG; Shu HU; Chuanxiang SHENG

doi:10.19453/j.cnki.1005-488x.2021.04.005

Optoelectronic Technology, Volume. 41, Issue 4, 262(2021)

Factors Affecting the Measurement of Perovskite Mobility by Space Charge Limited Current Method

Yongtao HUANG, Shu HU, and Chuanxiang SHENG

Author Affiliations

School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, CHN

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Figures & Tables(11)

Fig. 1. Illustration schematic of the principle in SCLC measurement and logJ-logV curve in ideal case

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Fig. 2. Hysteresis caused by ion migration and PV-SCLC method^[25]

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Fig. 3. J⁃V curves of experiment and simulation (obtained from different dielectric constants and ion migration cases)^[16]

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Fig. 4. Effect of temperature and voltage sweep rate dependence of dielectric constant on J⁃V curves

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Fig. 5. Energy band diagram of symmetric and asymmetric ohmic contact devices^[47]

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Fig. 6. Influence of built-in electric field and verification of analytical model^[49]

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Fig. 7. Different ways to obtain the built-in electric field

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Fig. 8. Effects of thickness and injection barrier on mobility extraction

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Table 1. Mobility of perovskite measured by space charge limited current method （all at room temperature）

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Table 1. Mobility of perovskite measured by space charge limited current method （all at room temperature）

钙钛矿	形态	制备工艺	电子迁移率（cm²·V^-1·s^-1）	空穴迁移率（cm²·V^-1·s^-1）	Nt/ （cm^-3）	$ε$	备注	Ref.
MAPbI₃	单晶	顶部引晶溶液生长法	24.8	164		32	H：Au/PSK/Au； E：Ga/PCBM/PSK/PCBM/C₆₀/Ga；	[3]
		逆温结晶		67.2	1.4×10¹⁰		H：Au/PSK/Au；	[15]
		反溶剂蒸发辅助	53	65			E：Ti/PSK/Ti； H：Ag/Au/MoO₃/PSK/MoO₃/Au/Ag；	[9]
		反溶剂蒸发辅助		2.5	3.3×10¹⁰	25.5	E：Ag/MoO₃/Au/PSK/Au/MoO₃/Ag；	[11]
		几何约束生长		45.64		32	H：Au/PSK/Au； in plane；	[32]
	薄膜	气固反应		1.12	2.13×10¹⁵		H：FTO/PSK/Au；	[33]
		气固反应		0.83	2.51×10¹⁵
		溶液		1.4×10^-2	1.48×10¹⁷
		溶液	2.25×10^-2	2.05×10^-2		32	E：FTO/TiO₂/PSK/PCBM/Ag； H：ITO/PEDOT：PSS/PSK/Spiro⁃OMeTAD/Au；	[13]
		溶液	9.92×10^-2	1.18×10^-1		32		[13]
		溶液	19.8		1.52×10¹⁶		E：FTO/TiO₂/PSK/PCBM/Au；	[34]
		溶液		3.06	4.73×10¹⁶		H：ITO/PSK/Au；加入TDZDT；加入TZDT；	[35]
		溶液		10.27	6.63×10¹⁵
		溶液		5.64	9.95×10¹⁵
		溶液		2.7×10^-4	2.85×10¹⁵		H：ITO/PEDOT:PSS/PSK/PTAA/Ag；	[36]
		溶液		6.1×10^-4	1.4×10¹⁵		前驱体溶液加入氯苯；
MAPb(I_xCl_3-x)	薄膜	溶液	22.74		9.68×10¹⁵		E：FTO/TiO2/PSK/PCBM/Au	[34]
MAPbBr₃	单晶	逆温结晶		24.0	3.0×10¹⁰		H：Au/PSK/Au；	[15]
MAPbBr₃	单晶	反溶剂蒸发辅助		38	5.8×10⁹	25.5	E：Ag/MoO₃/Au/PSK/Au/MoO₃/Ag；	[11]
FAPbI₃	单晶	逆温结晶		35	9.6×10⁹	49.4	H：Au/PSK/Au；	[19]
	α	逆温结晶		4.4	6.2×10¹¹	46.9	H：In/PSK/In；	[12]
	δ	逆温结晶		1.79×10^-1	2.6×10¹¹
	薄膜	溶液		1.1×10^-3	1.3×10¹⁶
FAPbBr₃	单晶	逆温结晶		62	1.1×10¹⁰	43.6	H：Au/PSK/Au；	[19]
CsSnI₃	薄膜	溶液		8×10^-1	8.36×10¹⁶	48.2	H：ITO/Spiro⁃OMeTAD/PSK/Spiro⁃OMeTAD/Au；	[37]
(CPEA)₂(MA)_n-1 Pb_nI_3n+1	薄膜	溶液	8.73×10^-5		10.9×10¹⁵	32	E：FTO/TIO₂/PSK/PCBM/Au； n=3；	[8]
		溶液	1.26×10^-3		10.6×10¹⁵	32	n=4；
		溶液	1.59×10^-3		9.18×10¹⁵		n=5；
		溶液	6.92×10^-3		9.96×10¹⁵		n=6；
(BA)₂(MA)₃Pb₄I₁₃	薄膜	溶液	2.5×10^-3		1.6×10¹⁵	25	E：FTO/TIO₂/PSK/PCBM/Ag；掺杂Cs：0.5%；掺杂Cs：0.5%；掺杂Cs：0.5%；	[7]
			2.9×10^-3		1.31×10¹⁵
			2.0×10^-3		2.2×10¹⁵
			1.6×10^-3		2.78×10¹⁵
			4.2×10^-4		5.3×10¹⁵		E：Ag/PSK/PCBM/Ag；	[38]
			6.7×10^-4		3.1×10¹⁵		前驱体中加入氯苯；
			4.44×10^-3	6.63×10^-2			E：ITO/SnO₂/PSK/PCBM/Au；旋涂温度：30°C；	[14]
			5.64×10^-2	6.34×10^-2			H：ITO/PEDOT:PSS/PSK/Spiro⁃OMeTAD/Au；旋涂温度：70℃；
			6.68×10^-2	5.09×10^-2			旋涂温度：130℃；
				6.5×10^-4	5.3×10¹⁵		E：Ag/PSK/PCBM/Ag；	[39]
				4.7×10^-4	4.6×10¹⁵		E：Ag/PSK/ITIC⁃Th/Ag；
			5.6×10^-4		6.8×10¹⁵		E：Ag/PSK/PCBM/Ag；	[40]
Cs₂AgBiBr₆	单晶	水热反应		4.47	3.6×10¹⁰		Au/PSK/Au；摩尔比Ag : Bi 1 : 1；	[10]
				6.99	2.71×10¹¹		Ag : Bi 1 : 1.1；
				8.82	1.06×10¹⁰		Ag : Bi 1 : 1.15；
				22.3	9.57×10¹⁹		Ag : Bi 1 : 1.2；
BA₂MA₂Pb₃I₁₀	单晶	水冷结晶		3.2×10^-6	1.1×10⁸	25	Au/PSK/Au；	[18]
BA₂MA₂Pb₃I₁₀	单晶	水冷结晶		9.6×10^-3			in⁃plane；
ALA₂MA₂PbI₁₀	单晶	水冷结晶		2.4×10^-5	1.0×10⁸	25	Au/PSK/Au；
ALA₂MA₂PbI₁₀	单晶	水冷结晶		1.3×10^-2			in⁃plane；
PEA₂MA₂Pb₃I₁₀	单晶	水冷结晶		1.2×10^-5	7.0×10⁷	25	Au/PSK/Au；
PEA₂MA₂Pb₃I₁₀	单晶	水冷结晶		4.4×10^-2			in⁃plane；
PEA₂MA₃Pb₄I₁₃	薄膜	溶液		4.15×10^-3	3.25×10¹⁵		H：ITO/PTAA/PSK/Au；	[41]
	薄膜	溶液	1.43×10^-6	4.41×10^-5	1.5×10¹⁶		H：FTO/PEDOT:PSS/PSK/PTAA/Au； E：FTO/TiO₂/PSK/PCBM/Ag；	[42]
PEA₂MA₄Pb₅I₁₆	薄膜	溶液		2.2×10^-3	1.4×10¹⁷		H：Au/PSK/Au；PV⁃SCLC；	[43]
MA₃Sb₂I₉	单晶	热液		13.84	1.29×10¹⁰	5.28	H：Au/PSK/Au； f=1 kHz；	[44]
				15.51	1.16×10¹⁰	4.71	f=10 kHz；
				16.53	1.08×10¹⁰	4.42	f=100 kHz；
				16.68	1.07×10¹⁰	4.38	f=200 kHz；
	单晶	热液^b		31.90	3.78×10¹⁰	7.07	f=1 kHz；
				34.49	3.49×10¹⁰	6.64	f=10 kHz；
				40.14	3×10¹⁰	5.62	f=100 kHz；
				43.05	2.80×10¹⁰	5.24	f=200 kHz;
PSK：钙钛矿；H：仅空穴器件结构；E：仅电子器件结构；α：α⁃单晶； $δ : δ$ ⁃单晶；a：加入了二维微晶EDBEPbI₄；b：Sn掺杂；in plane：两电极在同一平面；MA：CH₃NH₃（Methylammonium）；FA：HC(NH₂)₂（Formamidinium）；PEA：2⁃phenylethylammonium；CPEA：ClC₆H₄C₂H₄NH₃，BA：C₄H₉NH₃；in plane：PV⁃SCLC：（Pulse Voltage⁃Space Charge Limited Current）脉冲电压空间电荷限制电流法；TDZT：1,3,4⁃thiadiazolidine⁃2⁃thione；TDZDT：1,3,4⁃thiadiazolidine⁃2,5⁃dithione

Table 2. Some mobility description models with defect effects

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Table 2. Some mobility description models with defect effects

描述	等式	Refs.
无缺陷	$J = \frac{9}{8} ε μ \frac{V^{2}}{L^{3}}$	[20]	（1）
单一浅能级缺陷（真空二极管）	$I = 10^{- 13} \frac{ε μ_{0} θ}{L^{3}} V^{2} θ = N_{c} / N_{t} e^{- E / k T}$	[52]	（8）
均匀分布缺陷（真空二极管）	$I = 10^{- 13} \frac{ε μ_{0} θ}{L^{3}} V^{2} θ = \frac{e L N_{c} e^{- E_{f} / k T} e^{V C / n_{t} L e k T}}{V C}$	[52]	（9）
指数分布缺陷	$J = N_{C} μ e^{1 - l} {[\frac{ϵ l}{N_{t} (l + 1)}]}^{l} {(\frac{2 l + 1}{l + 1})}^{l + 1} \frac{V^{l + 1}}{L^{2 l + 1}}$	[53]	（10）
浅能级缺陷+Poole⁃Frenkel效应	$J = \frac{9}{8} ε μ_{e} \frac{V^{2}}{L^{3}} μ_{e} = μ_{0} e x p (0.89 γ \sqrt[]{E})$	[55]	（11)

Table 3. Effects of various factors on perovskite mobility measured by SCLC

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Table 3. Effects of various factors on perovskite mobility measured by SCLC

因素	主要影响	解决措施	是否在钙钛矿中有研究
离子迁移	离子迁移对电荷注入提取有显著影响	脉冲电压空间电荷限制电流法	是
介电常数的依赖性	钙钛矿材料的介电常数是扫描速率以及温度的函数	针对不同温度以及扫描电压，使用不同介电常数	是
内建电场	非对称电极功函数造成内建电场	通过实验J⁃V曲线获得内建电场，并使用修正Mott⁃Gurney公式	否
缺陷	降低了电流大小，扭曲J⁃V曲线形状，电流电压由平方关系变为更高幂次	针对不同缺陷分布，使用不同修正式	否
厚度与注入势垒	太薄以及注入势垒较高的器件可能使J⁃V曲线的二次方关系不会出现	制备能级匹配器件，仔细选用电极，减少注入势垒，并制备较厚钙钛矿材料	否

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Yongtao HUANG, Shu HU, Chuanxiang SHENG. Factors Affecting the Measurement of Perovskite Mobility by Space Charge Limited Current Method[J]. Optoelectronic Technology, 2021, 41(4): 262

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Paper Information

Category: Research and Trial-manufacture

Received: Apr. 20, 2021

Accepted: --

Published Online: Aug. 3, 2022

The Author Email:

DOI:10.19453/j.cnki.1005-488x.2021.04.005

Topics

laser devices and laser physics

Lasers and Laser Optics

Laser physics

laser manufacturing

Instrumentation, Measurement and Metrology