Multi-cation perovskites prevent carrier reflection from grain surfaces

甲脒 热扩散率 结晶 材料科学 微晶 化学物理 晶界 扩散 钙钛矿(结构) 矿物学 化学工程 结晶学 化学 热力学 微观结构 物理 复合材料 工程类 冶金
作者
Makhsud I. Saidaminov,Kristopher Williams,Mingyang Wei,Andrew Johnston,Rafael Quintero‐Bermudez,Maral Vafaie,João M. Pina,Andrew H. Proppe,Yi Hou,Grant Walters,Shana O. Kelley,William A. Tisdale,Edward H. Sargent
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:19 (4): 412-418 被引量:145
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0602-2
摘要

The composition of perovskite has been optimized combinatorially such that it often contains six components (AxByC1−x−yPbXzY3−z) in state-of-art perovskite solar cells. Questions remain regarding the precise role of each component, and the lack of a mechanistic explanation limits the practical exploration of the large and growing chemical space. Here, aided by transient photoluminescence microscopy, we find that, in perovskite single crystals, carrier diffusivity is in fact independent of composition. In polycrystalline thin films, the different compositions play a crucial role in carrier diffusion. We report that methylammonium (MA)-based films show a high carrier diffusivity of 0.047 cm2 s−1, while MA-free mixed caesium-formamidinium (CsFA) films exhibit an order of magnitude lower diffusivity. Elemental composition studies show that CsFA grains display a graded composition. This curtails electron diffusion in these films, as seen in both vertical carrier transport and surface potential studies. Incorporation of MA leads to a uniform grain core-to-edge composition, giving rise to a diffusivity of 0.034 cm2 s−1 in CsMAFA films. A model that invokes competing crystallization processes allows us to account for this finding, and suggests further strategies to achieve homogeneous crystallization for the benefit of perovskite optoelectronics. Methylammonium is shown to influence the crystallization process in hybrid lead halide perovskites, leading to a more homogeneous chemical distribution of caesium and formamidinium and improved charge transport between grains in multi-cation systems.
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