Pengaruh Dekomposisi PbI2 pada Mekanisme Mikroskopik Hamburan pada Film CH3NH3PbI3

Hasil dan Diskusi

Evolusi morfologi MAPbI₃ film pertama kali diselidiki dengan pengukuran XRD. Pola XRD untuk MAPbI₃ film sebelum dan sesudah annealing ditunjukkan pada Gambar. 1. Dapat dilihat dengan jelas bahwa sampel sebelum dan sesudah annealing pada 120 °C terdiri dari fase perovskit murni, yang menunjukkan MAPbI₃ puncak karakteristik pada 14,04°, 28,42°, dan 43,08° sesuai dengan bidang (110), (220), dan (330) MAPbI₃ , masing-masing [29]. Namun, ditemukan bahwa sampel setelah anil pada 145 °C bukan MAPbI murni₃ film. Puncak difraksi karakteristik baru pada 12,56° muncul dalam film yang sesuai, yang dapat diamati oleh bidang (001) PbI₂ . Ada banyak laporan sebelumnya yang menyarankan bahwa konversi struktural dari MAPbI₃ ke PbI₂ sebagian besar terjadi di MAPbI₃ film pada anil termal [30,31,32]. Menurut laporan ini, kami yakin bahwa MAPbI₃ film dapat didekomposisi melalui pemanasan di atas 145 °C dalam pekerjaan ini, di mana CH₃ NH₃ Saya spesies melarikan diri dari MAPbI₃ film untuk membentuk PbI₂ fase. Hal ini menunjukkan sifat ikatan yang lemah antara spesies organik dan anorganik di MAPbI₃ film [33].

Pola XRD untuk MAPbI₃ film sebelum dan sesudah anil pada 120 °C dan 145 °C

Gambar SEM lebih lanjut memberikan wawasan mendalam tentang evolusi morfologi MAPbI₃ film. Pada Gambar. 2a–c, semua film menampilkan struktur yang kompak dan konformal. Namun, sejumlah spesies baru yang terbentuk pada GB muncul di MAPbI₃ film dianil pada 145 °C, yang menunjukkan kontras yang relatif cerah dibandingkan dengan butiran yang berdekatan. Spesies yang baru terbentuk ini telah dilaporkan sebelumnya dalam karya serupa di mana mereka berspekulasi sebagai PbI₂ komponen, yang konsisten dengan konservasi PbI₂ sinyal dalam pola XRD yang sesuai seperti yang kita diskusikan sebelumnya [33]. Dari temuan tersebut dapat disimpulkan bahwa perubahan komposisi dapat terjadi pada MAPbI₃ film anil di atas 145 °C. Dengan melepaskan spesies organik selama anil, PbI₂ komponen didekomposisi dan sebagian terletak di GB perovskit menurut hasil XRD dan SEM.

Gambar SEM untuk MAPbI₃ film sebelumnya (a ) dan setelah anil pada 120 °C (b ) dan 145 °C (c )

Pemahaman tentang sifat pengangkutan muatan di MAPbI₃ film sangat penting karena mobilitas biasanya mendominasi kinerja perangkat. Dalam pekerjaan ini, mobilitas Hall dari semua MAPbI₃ film diukur seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Pada suhu kamar, mobilitas Hall sekitar 0,6~1 cm ² /V s untuk MAPbI yang tidak dianil, 100 °C- dan 120 °C₃ film, yang konsisten dengan laporan sebelumnya [20, 34]. Namun, peningkatan mobilitas Hall mencapai 5 cm ² /V s ditemukan di MAPbI anil 145 °C₃ film, yang hampir satu urutan besarnya lebih tinggi dari yang tidak dianil. Seperti yang kita ketahui, mobilitas biasanya dipengaruhi oleh mekanisme hamburan dominan yang mengatur proses transportasi muatan. Peningkatan mobilitas Hall tersebut mungkin mencerminkan pengurangan hamburan selama proses transportasi muatan di MAPbI anil 145 °C₃ film. Yang dkk. setelah menyelidiki permukaan dan GB di MAPbI₃ film melalui pemindaian mikroskop probe Kelvin (SKPM), yang digunakan untuk menentukan perbedaan potensial permukaan antara GB dan butiran dalam dalam film. Ditemukan bahwa MAPbI₃ film tanpa anil termal menunjukkan potensi permukaan yang lebih tinggi di GB daripada di massal, yang biasanya dilaporkan dalam karya-karya sebelumnya [35,36,37]. Sebaliknya, potensi permukaan pada GB jelas berkurang setelah anil pada 150 °C. Mereka menganggap bahwa penurunan potensial permukaan disebabkan oleh efek pasivasi dari PbI yang baru terbentuk₂ fase, yang dapat menekan penghalang GB sampai batas tertentu sehingga mengurangi hamburan dari GB [33, 38]. Oleh karena itu, dengan PbI yang terurai₂ terjadi setelah anil pada 145 °C dalam pekerjaan ini, peningkatan mobilitas Hall dapat dikaitkan dengan efek pasif dari PbI yang terurai₂ di GB. Karena pengukuran Hall mencirikan sifat transpor muatan dari seluruh film, disimpulkan bahwa PbI₂ yang terdekomposisi mempasifkan GB dan mengurangi penghalang energi antara domain butir, memfasilitasi transportasi muatan ke arah bidang [39].

Mobilitas aula semua MAPbI₃ film pada suhu kamar

Untuk mempelajari lebih lanjut efek pasivasi dari PbI yang terdekomposisi₂ lokasi di GB di MAPbI₃ film, mobilitas Hall yang bergantung pada suhu diperkenalkan untuk menyelidiki mekanisme hamburan di MAPbI₃ film sebelum dan sesudah anil. Mobilitas hall-perilaku suhu dalam kisaran suhu dari 300 hingga 350 K ditunjukkan pada Gambar. 4a. Terlihat jelas bahwa mobilitas meningkat dengan suhu untuk MAPbI yang tidak dianil dan 120 °C₃ film. Seperti yang kita ketahui, GB dalam film dengan ukuran butir pada skala mikrometer memainkan peran penting dalam proses transportasi muatan dan mobilitas pembawa dibatasi oleh hambatan energi potensial pada GB [40]. GB seperti itu dengan sejumlah besar cacat dapat menjebak pembawa dan membentuk keadaan bermuatan listrik, yang menghambat pergerakan pembawa dari satu kristal ke kristal lain dan dengan demikian mengurangi mobilitas [41]. Dengan meningkatnya suhu, pembawa memperoleh energi kinetik untuk mengatasi hambatan potensial dan mobilitas pembawa dapat ditingkatkan sesuai [42]. Akibatnya, ditunjukkan bahwa hamburan GB mengatur proses transportasi muatan [43]. Seto dkk. menetapkan model teoretis untuk menggambarkan proses hamburan GB dan mobilitas Hall μ ₀ menunjukkan perilaku yang diaktifkan secara termal seperti di bawah ini:

a , b Mobilitas Hall yang bergantung pada suhu dari MAPbI₃ film sebelum dan sesudah anil pada 120 °C dan 145 °C

dimana k _B adalah konstanta Boltzmann, μ ₀ adalah prefaktor eksponensial, dan E _B adalah energi aktivasi yang sesuai dengan tinggi penghalang energi potensial [44]. Hubungan antara ln μ _H dan 1000/T diberikan dalam suhu dari 300 hingga 350 K seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b sedangkan ketinggian penghalang potensial E _B GBs dapat disimpulkan dari kemiringan pemasangan linier. Dapat ditemukan bahwa ketinggian penghalang potensial E _B GB adalah sekitar 208 meV untuk MAPbI yang tidak dianil₃ film dan sedikit berkurang menjadi 147 meV setelah anil pada 120 °C, yang hampir sesuai dengan laporan sebelumnya [45]. Namun, setelah anil pada 145 °C, MAPbI₃ film di mana PbI yang terurai₂ menemukan di GB menunjukkan perilaku yang bergantung pada suhu yang berbeda. Sangat menarik untuk menemukan bahwa mobilitas berkurang dengan meningkatnya suhu, yang akhirnya menunjukkan T ^−2.0 ketergantungan. Sangat dekat dengan T ^−1.5 ketergantungan biasanya diasumsikan untuk hamburan fonon akustik [23, 24]. Dengan demikian tampak bahwa proses pengangkutan muatan dalam MAPbI anil 145 °C₃ film tidak lagi didominasi oleh hamburan GB, di mana hamburan fonon akustik akan terjadi sebagai gantinya dalam proses transportasi muatan. Oleh karena itu, kita dapat meyakinkan bahwa PbI yang terurai₂ lokasi di GB bertindak sebagai lapisan pasivasi antara butir dan menekan penghalang potensial GB, sehingga menyebabkan perubahan mekanisme hamburan dalam proses transportasi muatan dari hamburan GB ke hamburan fonon akustik.

Selanjutnya, peluruhan TRPL digunakan dan dilakukan pada MAPbI₃ film sebelum dan sesudah anil termal, dan masa pakai emisi dapat diperoleh dengan memasang spektrum peluruhan emisi fluoresensi menggunakan fungsi eksponensial. Masa pakai emisi fluoresensi yang sesuai akan mencerminkan perilaku rekombinasi muatan dalam MAPbI₃ yang sesuai film. Gambar 5 menunjukkan spektrum peluruhan TRPL, dan Tabel 1 menampilkan masa pakai film MAPbI3 yang sesuai. Kurva peluruhan emisi fluoresensi dilengkapi dengan peluruhan eksponensial dua komponen yang menunjukkan skala masa pakai yang sama dengan peluruhan PL yang dilaporkan di MAPbI₃ film [46]. Komponen peluruhan cepat, τ ₁ , mungkin berasal dari masa pakai rekombinasi muatan permukaan atau antarmuka, dan komponen peluruhan yang lama, τ ₂ , dapat dikaitkan dengan masa rekombinasi muatan massal [47, 48]. Ditemukan bahwa komponen peluruhan panjang τ ₂ menunjukkan sedikit variasi dalam MAPbI₃ film sebelum dan sesudah anil termal. Namun, komponen peluruhan cepat τ ₁ ditingkatkan dari 1,39 ns untuk sampel yang tidak dianil menjadi 6,05 ns untuk sampel yang dianil 145 °C, membuktikan pengurangan rekombinasi permukaan atau antarmuka, yang akhirnya menghasilkan peningkatan masa pakai emisi yang berkurang τ setelah meningkatkan suhu anil termal. Dalam karya-karya sebelumnya, Wang et al. juga menyelidiki rekombinasi muatan di MAPbI₃ film dengan menganalisis masa emisi. Mereka menemukan bahwa masa pakai emisi yang lebih lama akan menunjukkan peningkatan penekanan rekombinasi muatan, yang dapat dikaitkan dengan PbI₂ yang terdekomposisi. secara efektif mempasifkan perangkap muatan pada GB di MAPbI₃ film [40]. Oleh karena itu, dalam karya ini, τ . yang disempurnakan dapat dianggap berasal dari peningkatan efek pasivasi dari PbI yang terdekomposisi₂ menemukan di GB yang mengisi GB dan menekan rekombinasi biaya antarmuka di MAPbI₃ film. Ini adalah bukti kuat lainnya untuk efek pasif dari PbI yang terurai₂ di MAPbI₃ GB.

Spektrum peluruhan TRPL dari MAPbI₃ film sebelum dan sesudah anil pada 120 °C dan 145 °C