単結晶メチルアンモニウムヨウ化鉛ペロブスカイトナノロッドの可逆分解

Reversible Decomposition of Single-Crystal Methylammonium Lead Iodide Perovskite Nanorods.

• Yong-Ryun Jo
• Jerry Tersoff
• Min-Woo Kim
• Junghwan Kim
• Bong-Joong Kim

抄録

ペロブスカイト系太陽電池は優れた性能を発揮しますが、更なる発展には材料やプロセスの理解と制御の深化が必要となります。本研究では、中間相の単結晶ナノロッド（MAI-PbI-DMSO）を初めて作製し、高真空透過型電子顕微鏡でアニール中の相変化を直接観察することができました。これにより、酸素や水分などの他の環境条件の熱影響を分離することができる。我々は、相変換と分解の間の中間相、進化するペロブスカイト、沈殿するPbI、および電子ビームによって誘起されるPbIの結晶構造と配向を初めて完全に決定することができた。驚くべきことに、ペロブスカイトからPbIへの分解は冷却時であり、加熱時にMAIが豊富なMAPbIとPbIが形成されるため、長期的なデバイスの耐久性にとって重要である。熱力学モデルを用いた定量的な測定により、分解はエントロピー的に駆動されることが示唆された。熱サイクルによって得られた単結晶MAPbIナノロッドは、高真空下で100℃（太陽電池動作のための最高温度以上）までの完全可逆性を持ち、優れた移動度とトラップ密度を示し、高性能でフレキシブルな太陽電池のためのユニークな可能性を提供している。

Perovskite solar cells offer remarkable performance, but further advances will require deeper understanding and control of the materials and processing. Here, we fabricate the first single crystal nanorods of intermediate phase (MAI-PbI-DMSO), allowing us to directly observe the phase evolution while annealing in a high-vacuum transmission electron microscope, which lets up separate thermal effects from other environmental conditions such as oxygen and moisture. We attain the first full determination of the crystal structures and orientations of the intermediate phase, evolving perovskite, precipitating PbI, and e-beam induced PbI during phase conversion and decomposition. Surprisingly, the perovskite decomposition to PbI is upon cooling, critical for long-term device endurance due to the formation of MAI-rich MAPbI and PbI upon heating. Quantitative measurements with a thermodynamic model suggest the decomposition is entropically driven. The single crystal MAPbI nanorods obtained via thermal cycling exhibit excellent mobility and trap density, with full reversibility up to 100 °C (above the maximum temperature for solar cell operation) under high vacuum, offering unique potential for high-performance flexible solar cells.

Copyright © 2020 American Chemical Society.