Phosphorene Nanoribbon-Augmented Optoelectronics for Enhanced Hole Extraction

光电子学 磷烯 化学 电子迁移率 载流子 钙钛矿(结构) 光致发光 半导体 材料科学 带隙 结晶学
作者
Thomas J. Macdonald,Adam J. Clancy,Weidong Xu,Zhongyao Jiang,Chieh‐Ting Lin,Lokeshwari Mohan,Tian Du,Daniel D. Tune,Luis Lanzetta,Ganghong Min,Thomas Webb,Arjun Ashoka,Raj Pandya,Vasiliki Tileli,Martyn A. McLachlan,James R. Durrant,Saif A. Haque,Christopher A. Howard
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (51): 21549-21559 被引量:61
标识
DOI:10.1021/jacs.1c08905
摘要

Phosphorene nanoribbons (PNRs) have been widely predicted to exhibit a range of superlative functional properties; however, because they have only recently been isolated, these properties are yet to be shown to translate to improved performance in any application. PNRs show particular promise for optoelectronics, given their predicted high exciton binding energies, tunable bandgaps, and ultrahigh hole mobilities. Here, we verify the theorized enhanced hole mobility in both solar cells and space-charge-limited-current devices, demonstrating the potential for PNRs improving hole extraction in universal optoelectronic applications. Specifically, PNRs are demonstrated to act as an effective charge-selective interlayer by enhancing hole extraction from polycrystalline methylammonium lead iodide (MAPbI3) perovskite to the poly(triarylamine) semiconductor. Introducing PNRs at the hole-transport/MAPbI3 interface achieves fill factors above 0.83 and efficiencies exceeding 21% for planar p-i-n (inverted) perovskite solar cells (PSCs). Such efficiencies are typically only reported for single-crystalline MAPbI3-based inverted PSCs. Methylammonium-free PSCs also benefit from a PNR interlayer, verifying applicability to architectures incorporating mixed perovskite absorber layers. Device photoluminescence and transient absorption spectroscopy are used to demonstrate that the presence of the PNRs drives more effective carrier extraction. Isolation of the PNRs in space-charge-limited-current hole-only devices improves both hole mobility and conductivity, demonstrating applicability beyond PSCs. This work provides primary experimental evidence that the predicted superlative functional properties of PNRs indeed translate to improved optoelectronic performance.

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