From 2D to 1D Electronic Dimensionality in Halide Perovskites with Stepped and Flat Layers Using Propylammonium as a Spacer

化学 卤化物 八面体 电阻率和电导率 结晶学 同系序列 各向异性 带隙 垂直的 离子键合 晶体结构 几何学 离子 光电子学 无机化学 光学 材料科学 物理 有机化学 量子力学 数学
作者
Justin M. Hoffman,Xiaoyang Che,Siraj Sidhik,Xiaotong Li,Ido Hadar,Jean‐Christophe Blancon,Hisato Yamaguchi,Mikaël Képénékian,Claudine Katan,Jacky Even,Constantinos C. Stoumpos,Aditya D. Mohite,Mercouri G. Kanatzidis
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (27): 10661-10676 被引量:102
标识
DOI:10.1021/jacs.9b02846
摘要

Two-dimensional (2D) hybrid halide perovskites are promising in optoelectronic applications, particularly solar cells and light-emitting devices (LEDs), and for their increased stability as compared to 3D perovskites. Here, we report a new series of structures using propylammonium (PA+), which results in a series of Ruddlesden-Popper (RP) structures with the formula (PA)2(MA)n-1PbnI3n+1 (n = 3, 4) and a new homologous series of "step-like" (SL) structures where the PbI6 octahedra connect in a corner- and face-sharing motif with the general formula (PA)2m+4(MA)m-2Pb2m+1I7m+4 (m = 2, 3, 4). The RP structures show a blue-shift in bandgap for decreasing n (1.90 eV for n = 4 and 2.03 eV for n = 3), while the SL structures have an even greater blue-shift (2.53 eV for m = 4, 2.74 eV for m = 3, and 2.93 eV for m = 2). DFT calculations show that, while the RP structures are electronically 2D quantum wells, the SL structures are electronically 1D quantum wires with chains of corner-sharing octahedra "insulated" by blocks of face-sharing octahedra. Dark measurements for RP crystals show high resistivity perpendicular to the layers (1011 Ω cm) but a lower resistivity parallel to them (107 Ω cm). The SL crystals have varying resistivity in all three directions, confirming both RP and SL crystals' utility as anisotropic electronic materials. The RP structures show strong photoresponse, whereas the SL materials exhibit resistivity trends that are dominated by ionic transport and no photoresponse. Solar cells were made with n = 3 giving an efficiency of 7.04% (average 6.28 ± 0.65%) with negligible hysteresis.
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