Strong Interaction at the Perovskite/TiO2 Interface Facilitates Ultrafast Photoinduced Charge Separation: A Nonadiabatic Molecular Dynamics Study

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作者
Run Long,Wei‐Hai Fang,Oleg V. Prezhdo
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (7): 3797-3806 被引量:72
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.6b12921
摘要

Interfacial electron transfer (ET) plays a key role in the operation of solar cells based on TiO2 sensitized with organohalide perovskites, since it leads to separation of the photogenerated electrons and holes into different materials. The reported experimental ET times range by over 3 orders of magnitude, from sub-200 fs to over 300 ps. Using nonadiabatic molecular dynamics combined with ab initio time-domain density functional theory, we demonstrate that ET at a CH3NH3PbI3/TiO2 interface can be complete within 100 fs, indicating that the longer time scales reflect other processes, such as charge and exciton diffusion in perovskite bulk. The electron injection is fast because the interaction between the donor and acceptor species is strong at ambient conditions. Photoexcitation directly at the interface can create a charge-separated state. Electrons generated farther away inject by a combination of adiabatic and nonadiabatic mechanisms. Thermally activated low frequency vibrational motions at the interface modulate the CH3NH3PbI3/TiO2 separation, creating opportunities for chemical bonding and generating channels for adiabatic ET. Higher-frequency modes create large nonadiabatic coupling. The interaction between perovskite and TiO2 is purely van der Waals at 0 K, whereas at ambient temperatures I–Ti covalent bonds can form transiently at the interface. The covalent bonding is particularly important for photoexcitation of charge-separated states and adiabatic ET. The ET occurs prior to nonradiative electronic energy losses that can lead to charge trapping and recombination. The ultrafast interfacial charge separation contributes to the high efficiencies of perovskite-sensitized TiO2 solar cells. The reported simulations provide a detailed time-domain atomistic description of the interfacial ET and advance our understanding of carrier dynamics in perovskite solar cells.
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