First-Principles Study of Ion Diffusion in Perovskite Solar Cell Sensitizers

化学 空位缺陷 钙钛矿(结构) 扩散 离子 结晶度 磁滞 四方晶系 化学物理 阳离子聚合 结晶学 凝聚态物理 热力学 晶体结构 有机化学 物理
作者
Jun Haruyama,Keitaro Sodeyama,Liyuan Han,Yoshitaka Tateyama
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (32): 10048-10051 被引量:655
标识
DOI:10.1021/jacs.5b03615
摘要

Hysteresis in current–voltage curves has been an important issue for conversion efficiency evaluation and development of perovskite solar cells (PSCs). In this study, we explored the ion diffusion effects in tetragonal CH3NH3PbI3 (MAPbI3) and trigonal (NH2)2CHPbI3 (FAPbI3) by first-principles calculations. The calculated activation energies of the anionic and cationic vacancy migrations clearly show that I– anions in both MAPbI3 and FAPbI3 can easily diffuse with low barriers of ca. 0.45 eV, comparable to that observed in ion-conducting materials. More interestingly, typical MA+ cations and larger FA+ cations both have rather low barriers as well, indicating that the cation molecules can migrate in the perovskite sensitizers when a bias voltage is applied. These results can explain the ion displacement scenario recently proposed by experiments. With the dilute diffusion theory, we discuss that smaller vacancy concentrations (higher crystallinity) and replacement of MA+ with larger cation molecules will be essential for suppressing hysteresis as well as preventing aging behavior of PSC photosensitizers.
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