Ultrafast and High-Yield Polaronic Exciton Dissociation in Two-Dimensional Perovskites

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作者
Qi Sun,Chunyi Zhao,Zixi Yin,Shiping Wang,Jing Leng,Wenming Tian,Shengye Jin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (45): 19128-19136 被引量:84
标识
DOI:10.1021/jacs.1c08900
摘要

Layered two-dimensional (2D) lead halide perovskites are a class of quantum well (QW) materials, holding dramatic potentials for optical and optoelectronic applications. However, the thermally activated exciton dissociation into free carriers in 2D perovskites, a key property that determines their optoelectronic performance, was predicted to be weak due to large exciton binding energy (Eb, about 100-400 meV). Herein, in contrast to the theoretical prediction, we discover an ultrafast (<1.4 ps) and highly efficient (>80%) internal exciton dissociation in (PEA)2(MA)n-1PbnI3n+1 (PEA = C6H5C2H4NH3+, MA = CH3NH3+, n = 2-4) 2D perovskites despite the large Eb. We demonstrate that the exciton dissociation activity in 2D perovskites is significantly promoted because of the formation of exciton-polarons with considerably reduced exciton binding energy (down to a few tens of millielectronvolts) by the polaronic screening effect. This ultrafast and high-yield exciton dissociation limits the photoluminescence of 2D perovskites but on the other hand well explains their exceptional performance in photovoltaic devices. The finding should represent a common exciton property in the 2D hybrid perovskite family and provide a guideline for their rational applications in light emitting and photovoltaics.
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