El efecto del PbI2 descompuesto en los mecanismos microscópicos de dispersión en películas CH3NH3PbI3

El patrón XRD para MAPbI ₃ películas antes y después del recocido a 120 ° C y 145 ° C

Las imágenes SEM dieron además una visión profunda de la evolución morfológica de MAPbI ₃ Película (s. En la Fig. 2a-c, todas las películas presentan una estructura compacta y conforme. Sin embargo, en MAPbI ₃ surge una cantidad de especies recién formadas que ocurren en GB película recocida a 145 ° C, que muestra un contraste relativamente brillante en comparación con los granos adyacentes. Estas especies recién formadas se han informado anteriormente en trabajos similares donde se especuló que eran PbI ₂ componentes, que es consistente con la conservación de PbI ₂ señales en el patrón XRD correspondiente como discutimos antes [33]. A partir de estos hallazgos, podemos concluir que podría ocurrir un cambio de composición en MAPbI ₃ película recocida por encima de 145 ° C. Al liberar las especies orgánicas durante el recocido, PbI ₂ los componentes se descomponen y partes de ellos se ubican en los GB de perovskita de acuerdo con los resultados de XRD y SEM.

Las imágenes SEM para MAPbI ₃ películas antes ( a ) y después del recocido a 120 ° C ( b ) y 145 ° C ( c )

Comprensión de las propiedades de transporte de carga en MAPbI ₃ Las películas son muy importantes, ya que la movilidad suele dominar el rendimiento del dispositivo. En este trabajo, las movilidades de Hall de todos los MAPbI ₃ las películas se midieron como se muestra en la Fig. 3. A temperatura ambiente, la movilidad de Hall es de alrededor de 0,6 ~ 1 cm ² / V s para MAPbI ₃ recocido a 100 ° C y 120 ° C no recocido películas, que son consistentes con los informes anteriores [20, 34]. Sin embargo, el aumento de la movilidad de Hall alcanza los 5 cm ² / V s se encuentra en MAPbI ₃ recocido a 145 ° C película, que es casi un orden de magnitud más alta que la de la no recocida. Como sabemos, la movilidad suele estar influenciada por el mecanismo de dispersión dominante que gobierna el proceso de transporte de carga. Tal aumento de la movilidad de Hall probablemente refleja una reducción de la dispersión durante el proceso de transporte de carga en el MAPbI ₃ recocido a 145 ° C película. Yang y col. una vez investigado las superficies y GB en MAPbI ₃ películas mediante microscopía de sonda Kelvin de barrido (SKPM), que se utiliza para determinar la diferencia de potencial de superficie entre los GB y los granos internos en las películas. Se encontró que MAPbI ₃ la película sin recocido térmico exhibió un potencial de superficie más alto en los GB que en el volumen, que generalmente se informó en los trabajos anteriores [35,36,37]. Por el contrario, el potencial de superficie en los GB se redujo obviamente después del recocido a 150 ° C. Consideraron que la disminución del potencial de superficie se debió al efecto de pasivación del PbI ₂ recién formado. fases, que podrían suprimir la barrera de los GB hasta cierto punto, redujeron así la dispersión de los GB [33, 38]. Por lo tanto, con el PbI ₂ descompuesto que ocurre después del recocido a 145 ° C en este trabajo, el aumento de la movilidad de Hall se puede atribuir al efecto de pasivación del PbI ₂ descompuesto en GB. Como las medidas de Hall caracterizan la propiedad de transporte de carga de toda la película, se infiere que el PbI ₂ descompuesto pasiva los GB y reduce la barrera de energía entre los dominios de grano, lo que facilita el transporte de carga en la dirección del plano [39].

Movilidades de pasillo de todos los MAPbI ₃ películas a temperatura ambiente

Para estudiar más a fondo el efecto de pasivación del PbI ₂ descompuesto ubicar en GB en MAPbI ₃ películas, las movilidades de Hall dependientes de la temperatura se introdujeron para investigar el mecanismo de dispersión en el MAPbI ₃ películas antes y después del recocido. En la Fig. 4a se muestran los comportamientos de temperatura-movilidad Hall dentro del rango de temperatura de 300 a 350 K. Se ve claramente que la movilidad aumenta con la temperatura para MAPbI ₃ no recocido y a 120 ° C Película (s. Como sabemos, los GB en las películas con tamaños de grano en la escala micrométrica juegan un papel importante en el proceso de transporte de carga y la movilidad del portador está limitada por las posibles barreras de energía en los GB [40]. Dichos GB con un gran número de defectos pueden atrapar a los portadores y formar estados cargados eléctricamente, que impiden el movimiento de los portadores de un cristalito a otro y, por lo tanto, reducen la movilidad [41]. Al aumentar la temperatura, los portadores obtienen la energía cinética para superar las barreras potenciales y la movilidad del portador se puede incrementar en consecuencia [42]. En consecuencia, se indica que una dispersión de GB gobierna el proceso de transporte de cargos [43]. Seto y col. estableció el modelo teórico para describir el proceso de dispersión de GB y la movilidad Hall μ ₀ muestra el comportamiento activado térmicamente como se muestra a continuación:

un , b Movilidades Hall dependientes de la temperatura del MAPbI ₃ películas antes y después del recocido a 120 ° C y 145 ° C

donde k _B es la constante de Boltzmann, μ ₀ es el prefactor exponencial, y E _B es la energía de activación que corresponde a la altura de la barrera de energía potencial [44]. La relación entre ln μ _H y 1000 / T se da dentro de la temperatura de 300 a 350 K como se muestra en la Fig. 4b mientras que la altura de la barrera potencial E _B de GB se puede deducir de la pendiente del ajuste lineal. Se puede encontrar que la altura de la barrera potencial E _B de GB es de aproximadamente 208 meV para MAPbI ₃ no recocido película y se reduce ligeramente a 147 meV después del recocido a 120 ° C, lo que casi coincide con los informes anteriores [45]. Sin embargo, después del recocido a 145 ° C, el MAPbI ₃ película donde el PbI ₂ descompuesto la localización en los GB exhibe un comportamiento diferente dependiente de la temperatura. Es interesante encontrar que la movilidad disminuye con el aumento de temperatura, lo que finalmente muestra una T ^−2.0 dependencia. Tan cerca de T ^−1,5 Por lo general, se asume una dependencia para la dispersión de fonones acústicos [23, 24]. Por tanto, parece que el proceso de transporte de carga en el MAPbI ₃ recocido a 145 ° C la película ya no está dominada por la dispersión GB, de la cual la dispersión del fonón acústico estaría en cambio en el proceso de transporte de carga. Por lo tanto, podríamos convencer de que el PbI ₂ descompuesto la ubicación en los GB actúa como una capa de pasivación entre los granos y suprime la barrera potencial de los GB, lo que lleva al cambio del mecanismo de dispersión en el proceso de transporte de carga de la dispersión de GB a la dispersión de fonones acústicos.

Además, la desintegración de TRPL se empleó y realizó en MAPbI ₃ películas antes y después del recocido térmico, y la vida útil de la emisión podría obtenerse ajustando los espectros de disminución de la emisión de fluorescencia utilizando la función exponencial. La correspondiente vida útil de la emisión de fluorescencia reflejaría el comportamiento de recombinación de carga en el MAPbI ₃ correspondiente. Película (s. La Figura 5 muestra los espectros de desintegración de TRPL y la Tabla 1 muestra la vida útil correspondiente de las películas MAPbI3. Las curvas de disminución de la emisión de fluorescencia se ajustan con una disminución exponencial de dos componentes que exhibe la misma escala de vida útil que la disminución de PL reportada en MAPbI ₃ películas [46]. El componente de decaimiento rápido, τ ₁ , puede provenir de la vida útil de la recombinación de la carga de la superficie o de la interfaz, y el componente de desintegración largo, τ ₂ , podría atribuirse a la vida útil de la recombinación de carga a granel [47, 48]. Se encuentra que el componente de decaimiento largo τ ₂ muestra poca variación en MAPbI ₃ películas antes y después del recocido térmico. Sin embargo, el componente de decaimiento rápido τ ₁ aumenta de 1,39 ns para la muestra no recocida a 6,05 ns para una muestra recocida a 145 ° C, lo que demuestra una reducción de la recombinación de superficie o interfaz, lo que finalmente da como resultado un aumento de la vida útil de la emisión reducida τ después de aumentar la temperatura de recocido térmico. En los trabajos anteriores, Wang et al. también investigó la recombinación de carga en MAPbI ₃ películas analizando la vida útil de la emisión. Descubrieron que una vida útil más prolongada de la emisión indicaría una mayor supresión de la recombinación de carga, lo que podría atribuirse al PbI ₂ descompuesto pasivando eficazmente las trampas de carga en GB en MAPbI ₃ películas [40]. Por lo tanto, en este trabajo, el τ mejorado podría atribuirse al creciente efecto de pasivación del PbI ₂ descompuesto ubicar en GB que llena los GB y suprime la recombinación de carga de la interfaz en MAPbI ₃ Película (s. Esta es otra evidencia poderosa del efecto de pasivación del PbI ₂ descompuesto en el MAPbI ₃ GB.

Los espectros de desintegración de TRPL de MAPbI ₃ películas antes y después del recocido a 120 ° C y 145 ° C

Conclusiones

En resumen, MAPbI ₃ Las películas se fabricaron mediante un método de reacción en solución de vapor. Las microestructuras, así como las propiedades ópticas y electrónicas, se investigaron antes y después del recocido térmico. Todas las películas muestran una fase de perovskita pura y presentan propiedades ópticas típicas de MAPbI ₃ . Sin embargo, después del recocido térmico a 145 ° C, el PbI ₂ descompuesto Las especies que ocurren en GB se pueden revelar en MAPbI ₃ películas, lo que llevó a una pasivación exitosa en GB. Por lo tanto, la dispersión de GB, que domina el proceso de transporte de carga en MAPbI ₃ no recocido y recocido a 120 ° C películas, obviamente se suprime después del recocido térmico a 145 ° C debido a la pasivación efectiva de PbI ₂ que reduce con éxito la altura de barrera potencial de los GB. Mientras tanto, la dispersión de fonones acústicos se convierte en el mecanismo de dispersión principal en MAPbI ₃ recocido a 145 ° C película. En consecuencia, la movilidad de Hall se alcanza a 5 cm ² / V s, que es significativamente más alta que la del no recocido (0,6 cm ² / V s).

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente de este artículo.

Abreviaturas

GB:

Límites de grano

HOIP:

Perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas

MAPbI ₃ :

CH ₃ NH ₃ PbI ₃

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

SKPM:

Microscopía de sonda Kelvin de barrido

TRPL:

Fotoluminiscencia resuelta en el tiempo

XRD:

Difracción de rayos X

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