분해된 PbI2가 CH3NH3PbI3 필름의 미세한 산란 메커니즘에 미치는 영향

결과 및 토론

MAPbI₃의 형태 진화 필름은 먼저 XRD 측정에 의해 조사되었습니다. MAPbI₃에 대한 XRD 패턴 어닐링 전과 후의 필름이 그림 1에 나와 있습니다. 120°C에서 어닐링 전과 후의 샘플이 순수한 페로브스카이트 상으로 구성되어 MAPbI₃를 나타내는 것을 명확하게 볼 수 있습니다. MAPbI₃의 (110), (220) 및 (330) 평면에 해당하는 14.04°, 28.42° 및 43.08°의 특징적인 피크 , 각각 [29]. 그러나 145 °C에서 열처리한 샘플은 순수한 MAPbI₃가 아닌 것으로 나타났습니다. 영화. 12.56°에서 새로운 특성 회절 피크가 해당 필름에 나타납니다. 이는 PbI₂의 (001) 평면에서 관찰할 수 있습니다. . MAPbI₃의 구조적 변환을 제안하는 이전 보고서가 많이 있었습니다. PbI₂로 주로 MAPbI₃에서 발생 열처리 시 필름 [30,31,32]. 이 보고서에 따르면 MAPbI₃ 필름은 이 작업에서 145 °C 이상의 가열을 통해 분해될 수 있습니다. 여기서 CH₃ NH₃ 나는 MAPbI₃에서 탈출합니다. PbI₂를 형성하는 필름 단계. 이것은 MAPbI₃에서 유기 및 무기 종 사이의 약한 결합 특성을 나타냅니다. 영화 [33].

MAPbI₃에 대한 XRD 패턴 120 °C 및 145 °C

SEM 이미지는 MAPbI₃의 형태 진화에 대한 깊은 통찰력을 제공했습니다. 영화. 그림 2a–c에서 모든 필름은 조밀하고 등각 구조를 나타냅니다. 그러나 GB에서 발생하는 새로 형성된 종의 양은 MAPbI₃에서 나타납니다. 145 °C에서 어닐링된 필름은 인접한 Grain에 비해 상대적으로 밝은 대비를 나타냅니다. 이 새로 형성된 종은 이전에 유사한 연구에서 PbI₂로 추정되는 것으로 보고되었습니다. PbI₂ 보존과 일치하는 구성 요소 앞서 논의한 바와 같이 해당 XRD 패턴의 신호 [33]. 이러한 발견으로부터 우리는 MAPbI₃에서 구성 변화가 발생할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다. 145 °C 이상에서 어닐링된 필름. 어닐링 동안 유기종을 방출함으로써 PbI₂ XRD 및 SEM 결과에 따라 구성 요소가 분해되고 일부가 페로브스카이트 GB에 위치합니다.

MAPbI₃에 대한 SEM 이미지 이전 영화(a ) 및 120 °C에서 어닐링 후(b ) 및 145 °C(c )

MAPbI₃의 전하 수송 속성에 대한 이해 이동성은 일반적으로 장치 성능을 지배하기 때문에 필름은 매우 중요합니다. 이 작업에서 모든 MAPbI₃의 홀 이동성 필름은 그림 3과 같이 측정되었습니다. 실온에서 홀 이동도는 약 0.6~1 cm ² 입니다. 열처리되지 않은 100 °C 및 120 °C MAPbI₃에 대한 /V s 이전 보고서 [20, 34]와 일치하는 영화. 그러나 홀 이동성이 5 cm ² 까지 증가했습니다. /V s는 145 °C 열처리된 MAPbI₃에서 발견됩니다. 어닐링되지 않은 필름보다 거의 한 자릿수 높은 필름입니다. 우리가 알다시피, 이동성은 일반적으로 전하 수송 과정을 지배하는 지배적인 산란 메커니즘에 의해 영향을 받습니다. 이러한 증가된 홀 이동도는 아마도 145°C 열처리된 MAPbI₃에서 전하 수송 과정 동안 산란의 감소를 반영합니다. 영화. Yang et al. MAPbI₃에서 표면과 GB를 한 번 조사했습니다. 필름에서 GB와 내부 입자 사이의 표면 전위차를 결정하는 데 사용되는 스캐닝 켈빈 프로브 현미경(SKPM)을 통한 필름. MAPbI₃ 열처리를 하지 않은 필름은 이전 연구[35,36,37]에서 일반적으로 보고된 벌크에서보다 GB에서 더 높은 표면 전위를 나타냈다. 대조적으로, GB의 표면 전위는 150 °C에서 어닐링 후에 분명히 감소했습니다. 그들은 표면 전위의 감소가 새로 형성된 PbI₂의 부동태화 효과로 인한 것이라고 생각했습니다. GB의 장벽을 어느 정도 억제할 수 있는 위상은 GB로부터의 산란을 감소시켰습니다[33, 38]. 따라서 분해된 PbI₂와 함께 이 작업에서 145 °C에서 어닐링 후 발생하는 증가된 홀 이동도는 분해된 PbI₂의 패시베이션 효과에 기인할 수 있습니다. GB에서. 홀 측정이 전체 필름의 전하 수송 특성을 특징짓기 때문에, 분해된 PbI₂ GB를 부동태화하고 입자 영역 사이의 에너지 장벽을 줄여 평면 방향으로 전하 이동을 촉진합니다[39].

모든 MAPbI₃의 홀 이동성 실온에서 필름

분해된 PbI₂의 패시베이션 효과를 더 연구하기 위해 MAPbI₃의 GB에서 찾기 필름, MAPbI₃에서 산란 메커니즘을 조사하기 위해 온도 의존적 ​​홀 이동도가 도입되었습니다. 어닐링 전후의 필름. 300 ~ 350 K의 온도 범위 내에서 홀 이동도-온도 거동이 그림 4a에 나와 있습니다. MAPbI₃ 및 120 °C 어닐링되지 않은 MAPbI의 경우 이동도가 온도에 따라 증가함을 분명히 알 수 있습니다. 영화. 알다시피, 마이크로미터 규모의 입자 크기를 갖는 필름의 GB는 전하 수송 과정에서 중요한 역할을 하며 캐리어 이동성은 GB의 잠재적 에너지 장벽에 의해 제한됩니다[40]. 많은 수의 결함을 가진 이러한 GB는 캐리어를 가두어 전기적으로 충전된 상태를 형성할 수 있으며, 이는 하나의 결정자에서 다른 결정자로의 캐리어 이동을 방해하여 이동성을 감소시킵니다[41]. 온도가 증가함에 따라 캐리어는 포텐셜 장벽을 극복하기 위한 운동 에너지를 얻고 이에 따라 캐리어 이동도가 증가할 수 있습니다[42]. 결과적으로, GB 산란이 전하 수송 과정을 지배함을 나타낸다[43]. Seto et al. GB 산란 과정과 홀 이동도 μ를 설명하는 이론적 모델을 수립했습니다. ₀ 아래와 같이 열 활성화 동작을 보여줍니다.

아 , b MAPbI₃의 온도에 따른 홀 이동성 120 °C 및 145 °C

여기서 k _나 볼츠만 상수, μ ₀ 지수 전요소이고 E _나 는 위치 에너지 장벽 높이에 해당하는 활성화 에너지입니다[44]. ln μ 사이의 관계 _하 및 1000/T 는 그림 4b와 같이 300 ~ 350 K의 온도 내에서 주어지며 전위 장벽 높이 E _나 선형 피팅의 기울기에서 GB를 추론할 수 있습니다. 잠재적인 장벽 높이 E _나 GB 중 어닐링되지 않은 MAPbI₃의 경우 약 208 meV입니다. 필름을 형성하고 120 °C에서 어닐링한 후 147 meV로 약간 감소합니다. 이는 이전 보고서와 거의 일치합니다[45]. 그러나 145 °C에서 어닐링 후 MAPbI₃ 분해된 PbI₂가 있는 필름 GB에 위치하는 것은 다른 온도 의존적 ​​거동을 나타냅니다. 온도가 증가함에 따라 이동도가 감소하고 결국 T ^−2.0 의존. T에 가깝습니다. ^−1.5 의존성은 일반적으로 음향 포논 산란에 대해 가정됩니다[23, 24]. 따라서 145 °C 열처리된 MAPbI₃에서 전하 수송 과정이 나타납니다. 필름은 더 이상 GB 산란에 의해 지배되지 않으며, 그 중 음향 포논 산란은 전하 수송 과정에서 대신 발생합니다. 따라서 분해된 PbI₂ GB에 위치하는 것은 그레인 사이의 패시베이션 층으로 작용하고 GB의 전위 장벽을 억제하므로 전하 수송 과정에서 산란 메커니즘이 GB 산란에서 음향 포논 산란으로 변경됩니다.

또한 TRPL 감쇠가 MAPbI₃에서 사용 및 수행되었습니다. 열 어닐링 전후의 필름과 방출 수명은 지수 함수를 사용하여 형광 방출 감쇠 스펙트럼을 피팅하여 얻을 수 있습니다. 해당 형광 방출 수명은 해당 MAPbI₃의 전하 재조합 동작을 반영합니다. 영화. 그림 5는 TRPL 붕괴 스펙트럼을 보여주고 표 1은 MAPbI3 필름의 해당 수명을 보여줍니다. 형광 방출 감쇠 곡선은 MAPbI₃에서 보고된 PL 감쇠와 동일한 수명 규모를 나타내는 2성분 지수 감쇠에 적합합니다. 영화 [46]. 빠른 감쇠 성분, τ ₁ , 표면 또는 계면 전하 재결합 수명 및 긴 붕괴 구성 요소에서 올 수 있습니다. τ ₂ , 벌크 전하 재결합 수명에 기인할 수 있다[47, 48]. 긴 감쇠 성분 τ ₂ MAPbI₃에서 약간의 변화를 보여줍니다. 열처리 전후의 필름. 그러나 빠른 감쇠 성분 τ ₁ 어닐링되지 않은 샘플의 경우 1.39 ns에서 145 °C-어닐링된 샘플의 경우 6.05 ns로 증가하여 표면 또는 계면 재결합의 감소를 증명하며, 이는 최종적으로 감소된 방출 수명 τ의 증가로 귀결됩니다. 열처리 온도를 높인 후. 이전 작업에서 Wang et al. 또한 MAPbI₃에서 전하 재조합을 조사했습니다. 발광 수명을 분석하여 필름. 그들은 더 긴 방출 수명이 전하 재결합의 향상된 억제를 의미한다는 것을 발견했으며, 이는 분해된 PbI₂에 기인할 수 있습니다. MAPbI₃의 GB에서 전하 트랩을 효과적으로 비활성화 영화[40]. 따라서 본 연구에서는 강화된 τ 분해된 PbI₂의 증가하는 부동태화 효과 때문일 수 있습니다. GB를 채우고 MAPbI₃에서 인터페이스 전하 재결합을 억제하는 GB에 위치 영화. 이것은 분해된 PbI₂의 부동태화 효과에 대한 또 다른 강력한 증거입니다. MAPbI₃에서 GB.

MAPbI₃의 TRPL 붕괴 스펙트럼 120 °C 및 145 °C