Minimizing hydrogen vacancies to enable highly efficient hybrid perovskites

钙钛矿(结构) 材料科学 甲脒 化学物理 碘化物 辐射传输 限制 重组 混合功能 碘化氢 密度泛函理论 纳米技术 化学 计算化学 无机化学 光学 结晶学 物理 工程类 有机化学 冶金 基因 机械工程 生物化学
作者
Xie Zhang,Jimmy‐Xuan Shen,Mark E. Turiansky,Chris G. Van de Walle
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:20 (7): 971-976 被引量:156
标识
DOI:10.1038/s41563-021-00986-5
摘要

Defect-induced non-radiative losses are currently limiting the performance of hybrid perovskite devices. Experimental reports have indicated the existence of point defects that act as detrimental non-radiative recombination centres under iodine-poor synthesis conditions. However, the microscopic nature of these defects is still unknown. Here we demonstrate that hydrogen vacancies can be present in high densities under iodine-poor conditions in the prototypical hybrid perovskite MAPbI3 (MA = CH3NH3). They act as very efficient non-radiative recombination centres with an exceptionally high carrier capture coefficient of 10−4 cm3 s−1. By contrast, the hydrogen vacancies in FAPbI3 [FA = CH(NH2)2] are much more difficult to form and have a capture coefficient that is three orders of magnitude lower. Our study unveils the critical but overlooked role of hydrogen vacancies in hybrid perovskites and rationalizes why FA is essential for realizing high efficiency in hybrid perovskite solar cells. Minimizing the incorporation of hydrogen vacancies is key to enabling the best performance of hybrid perovskites. First-principles calculations reveal that hydrogen vacancies induce non-radiative losses in methylammonium lead iodide perovskites synthesized under iodine-poor conditions, whereas they are less detrimental in formamidinium-based hybrid perovskites.
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