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Why Oxygen Increases Carrier Lifetimes but Accelerates Degradation of CH3NH3PbI3 under Light Irradiation: Time-Domain Ab Initio Analysis

化学 钙钛矿(结构) 氧气 卤化物 光化学 过氧化物 密度泛函理论 分子 化学物理 降级(电信) 无机化学 计算化学 结晶学 计算机科学 电信 有机化学
作者
Jinlu He,Wei‐Hai Fang,Run Long,Oleg V. Prezhdo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (34): 14664-14673 被引量:84
标识
DOI:10.1021/jacs.0c06769
摘要

Exposure to oxygen and light undermines chemical stability of metal halide perovskites, while it surprisingly improves their optical properties. Focusing on CH3NH3PbI3, we demonstrate that material degradation and charge carrier lifetimes depend strongly on the oxidation state of the oxygen species. Nonadiabatic molecular dynamics simulations combined with time-domain density functional theory show that a neutral oxygen molecule has little influence on the perovskite stability, while the superoxide and the peroxide accelerate degradation by breaking Pb–I chemical bonds and enhancing atomic fluctuations. Creating electron and/or hole traps, the neutral oxygen and the superoxide decrease charge carrier lifetimes by over 1 and 2 orders of magnitude, respectively. Importantly, photoinduced reduction of oxygen to the peroxide eliminates trap states and extends carrier lifetimes by more than a factor of 2 because it decreases the nonadiabatic coupling and shortens quantum coherence. The simulations indicate that the superoxide should be strongly avoided, for example, by full reduction to the peroxide because it causes simultaneous degradation of perovskite stability and optical properties. The detailed simulations rationalize the complex interplay between the influence of atmosphere and light on perovskite performance, apply to other solar cell materials exposed to natural elements, and provide valuable insights into design of high-performance solar cells.
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