有机金属卤化物为光伏应用前途的材料,提供可调电子水平,优秀的电荷传输,和简单的薄膜设备制造。二维(2 d)钙钛矿已成为有前途的候选人在三维(3 d)由于其有趣的光学和电学性质。然而,电源转换效率最大化是一个关键问题来改善这些太阳能电池的性能。在这项工作中,我们研究了一个二维(2 d)的photophysics钙钛矿(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2薄膜使用稳态和时间分辨吸收和发射光谱,并与三维(3 d)与CH3NH3PbI3。我们观察到一个较宽的带隙和更快的电荷复合(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2CH相比3NH3PbI3。这项工作提供了一种改进的理解基本的光物理过程的钙钛矿结构,为设计提供指导,合成,制造太阳能电池。
Solution-processable地球上充足的三维(3 d)有机金属trihalide钙钛矿一直深入研究由于其独特的电学和光学性质(
二维(2 d)杂化钙钛矿提供优越的环境稳定性以及当地的监禁,各向异性维度,和多功能性的有机化学合成和灵活性的调制光电性能(
在这项工作中,我们研究了一个二维(2 d)的photophysics钙钛矿(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2薄膜使用稳态和瞬态光谱技术,并与三维(3 d)与CH3NH3PbI3理解这些钙钛矿的光物理过程。这项工作的重点是理解2 d钙钛矿的基本性质和识别的因素限制了太阳能电池的效率。我们观察到一个较宽的带隙(2.01 eV)和更快的电荷复合(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2CH相比3NH3PbI3。尽管最佳能带光伏设备1.40 eV,有几个因素限制太阳能电池的效率,包括形态学的活性层,负责生成和重组,电荷转移到接口层,和电荷传输
Methylammonium碘(CH3NH3我),碘化铅(PbI2)、铅硫氰酸Pb (SCN)2N N-dimethylformamide (DMF)、二甲亚砜(DMSO),并从Sigma-Aldrich氯苯(CB)购买。(CH的前体的解决方案3NH3)2Pb (SCN)2我2是由溶解318毫克的CH3NH3我和323毫克的Pb (SCN)2在无水DMF。461毫克的PbI2和159毫克的CH3NH3我是溶解在1毫升DMF, 78
上进行了x射线衍射测量Rigaku MiniFlex 600 x射线衍射仪和扫描范围是5-60°。
用日本岛津公司吸收测量进行了紫外可见光谱仪,爱丁堡和稳态光致发光是使用一个工具FS920荧光计。时间分辨光致发光(TRPL)测量使用time-correlated进行单光子计数(TCSPC)从爱丁堡光谱仪仪器(LifeSpec II) 4 MHz变量激发激光源。励磁积分通量一直低于1
瞬态吸收数据收集使用瞬态吸收光谱设置。这个设置由光谱仪(超速Helios系统)和放大Ti: saphhire激光。放大的输出Ti: saphhire激光器提供了800 nm基本脉冲1 kHz重复率也被分成两个光束产生泵和探测脉冲。一个根本的光束被用来生成一个泵梁使用光学参量放大器(OPA)系统(相干歌剧独奏)。白光探测器是由集中生成的另一个基本梁蓝宝石板。泵和探测光束聚焦在一个示例中,和探测光收集电荷耦合器件(CCD)。光谱检测区域是450 nm - 800 nm。薄膜样品封装使用紫外线固化线索之前测量。仪器响应函数(IRF) ~ 100 fs应用。的样本兴奋激发能3.1 eV(400海里),和部分改变传输检测探针450 nm - 800 nm范围几个时间延迟。
通过XRD分析了钙钛矿晶体结构的。图
XRD (CH的模式3NH3)2Pb (SCN)2我2(黑色)和CH3NH3PbI3(红色)。
图
吸收光谱(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2(一)和CH3NH3PbI3(b)。Insets显示Tauc情节获得吸收光谱。插图中,
爱丁堡PL光谱测量用仪器FS920荧光计图所示
光致发光光谱(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2(黑色)和CH3NH3PbI3(红色)。
Time-correlated单光子计数(TCSPC)进行测量电荷/激子动力学。图
光致发光动力学CH3NH3PbI3(红色)在773 nm发射峰和(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2在757 nm发射峰(黑色)和600 nm峰值(蓝色)。
为了监控激子和电荷生成动力学,我们进行飞秒瞬态吸收光谱(助教)这些钙钛矿结构。而PL发射主要是敏感的物种,助教可以提供信息费用和激子
瞬态吸收光谱(a) (CH3NH3)2Pb (SCN)2我2(黑色)和(b) CH3NH3PbI3在不同的时间延迟(红色)。
图
瞬态吸收动力学(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2(黑色)和CH3NH3PbI3在基态漂白(红色)。
在这项工作中,我们准备CH3(NH3)2Pb (SCN)2我22 d钙钛矿和CH3NH3PbI33 d钙钛矿。使用稳态和瞬态吸收和发射光谱,研究了激子在这些结构和电荷生成。我们观察到一个较宽的带隙和更快的电荷复合(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2CH相比3NH3PbI3。此外,激子的复合是主要在PL衰变(衰变辐射物种)(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2而在CH自由载流子复合3NH3PbI3。我们还观察到的缺陷或杂质的存在(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2,瞬态吸收光谱。(CH的低功率转换效率3NH3)2Pb (SCN)2我2太阳能电池相比,CH3NH3PbI3可能是由于电荷复合作为助教观察得越快。本研究将极大地促进组织性能关系的基本理解杂化钙钛矿结构。
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称没有利益冲突。
这项工作是由NSF PREM与高分辨率的中子散射中心的合作(CHRNS)奖DMR 1827731。挚萍罗博士和Gibin乔治从费耶特维尔州大学通过IMREL承认提供供应设施,和瑞秋Wells博士承认帮助在SEM图像测量。David Hoogerheide博士朱莉·Borchers博士和丹·纽曼博士在国家标准与技术研究院(NIST)中子研究中心项目中承认了富有成效的讨论。
图S1。扫描电镜的图像(一)(CH3NH3)2Pb (SCN)2我2和(b) CH3NH3PbI3薄膜。