Rapid Interlayer Charge Separation and Extended Carrier Lifetimes due to Spontaneous Symmetry Breaking in Organic and Mixed Organic–Inorganic Dion–Jacobson Perovskites

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作者
Ran Shi,Run Long,Wei‐Hai Fang,Oleg V. Prezhdo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (9): 5297-5309 被引量:47
标识
DOI:10.1021/jacs.2c12903
摘要

Promising alternatives to three-dimensional perovskites, two-dimensional (2D) layered metal halide perovskites have proven their potential in optoelectronic applications due to improved photo- and chemical stability. Nevertheless, photovoltaic devices based on 2D perovskites suffer from poor efficiency owing to unfavorable charge carrier dynamics and energy losses. Focusing on the 2D Dion-Jacobson perovskite phase that is rapidly rising in popularity, we demonstrate that doping of complementary cations into the 3-(aminomethyl)piperidinium perovskite accelerates spontaneous charge separation and slows down charge recombination, both factors improving the photovoltaic performance. Employing ab initio nonadiabatic (NA) molecular dynamics combined with time-dependent density functional theory, we demonstrate that cesium doping broadens the bandgap by 0.4 eV and breaks structural symmetry. Assisted by thermal fluctuations, the symmetry breaking helps to localize electrons and holes in different layers and activates additional vibrational modes. As a result, the charge separation is accelerated. Simultaneously, the charge carrier lifetime grows due to shortened coherence time between the ground and excited states. The established relationships between perovskite composition and charge carrier dynamics provide guidelines toward future material discovery and design of perovskite solar cells.
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