Dampak PbI₂ yang Terdekomposisi terhadap Mekanisme Pemburulan dalam Film Perovskit CH₃NH₃PbI₃

Abstrak

Perovskit organik-hinbrid (HOIPs) dikenal karena panjang difusi pembawa muatan yang tinggi, koefisien serap yang besar, dan kinerja fotovoltaik yang luar biasa. Sifat transportasi muatan, terutama mekanisme pemburulan mikroskopis, memainkan peran sentral dalam efisiensi perangkat. Dalam studi ini, film CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) diproduksi melalui reaksi vapor-larutan. Pengukuran Hall yang bergantung pada suhu digunakan untuk mengkaji pemburulan dalam film-film ini. Dua tren suhu-mobilitas yang berbeda muncul setelah perawatan termal yang berbeda, mengungkapkan proses pemburulan yang bervariasi. Kami menemukan bahwa PbI₂ yang terdekomposisi—yang terbentuk di batas butir (GB) selama pengeringan—mendominasi perilaku pemburulan. Peran pasivasi PbI₂ dalam film MAPbI₃ diperiksa lebih lanjut, menekkan pengaruhnya terhadap transportasi muatan.

Latar Belakang

HOIPs berkembang pesat sebagai material optoelektronik berkinerja tinggi untuk fotovoltaik, detektor cahaya, LED, dan laser. Sel surya perovskit kini rutin mencapai efisiensi di atas 20%, didorong oleh jarak band yang menguntungkan, serapan tinggi, dan proses yang dapat diskalakan. Namun, pemahaman yang komprehensif tentang mekanisme transportasi muatan—terutama pemburulan di batas butir—masih belum lengkap. Penelitian sebelumnya melaporkan mobilitas pembawa dalam rentang 1–10 cm²/V·s, seringkali terbatas oleh hambatan batas butir dan pemburulan fonon akustik. Terdapat bukti yang bertentangan mengenai dampak batas butir: beberapa studi menunjukkan hambatan potensial berkurang di bawah iluminasi, sementara yang lainnya menunjuk pada jebakan dalam di batas butir. Studi ini mengatasi kesenjangan ini dengan mengkaji bagaimana PbI₂ yang terdekomposisi mempengaruhi pemburulan dalam film MAPbI₃.

Metode

Film MAPbI₃ disiapkan melalui reaksi vapor-larutan, mengikuti protokol yang telah berlaku. PbI₂ (99,99%) dilarutkan dalam DMF (99,9%) pada konsentrasi 1 mol L⁻¹ dan diaduk pada 70 °C selama 3 jam. Film dilapisi dengan spin-coating pada 4000 rpm selama 30 detik dan dipanaskan pada 70 °C selama 10 menit. Bubuk MAI dan film PbI₂ ditempatkan di zona terpisah dalam tabung peletek di bawah vakum. Setelah 10 menit pengosongan, zona-zona dipanaskan ke 180 °C (MAI) dan 140 °C (PbI₂) selama lebih dari 100 menit. Film MAPbI₃ yang dihasilkan, berwarna lebih gelap, kemudian dipanaskan pada 100 °C, 120 °C, atau 145 °C selama 1 jam setelah dicuci dengan propanol isopropil. Semua langkah dilakukan di udara lingkungan (≈45 % kelembaban relatif).

Mikrostruktur dikarakterisir dengan XRD (Bruker MXP‑III) dan SEM (Hitachi S‑3400 N‑II). Fotoluminensi terpecahkan waktu (TRPL) menggunakan spektrofotometer floresensi dengan penghitungan foton tunggal yang berkaitan waktu (FLS920, Edinburgh). Pengukuran Hall yang bergantung pada suhu (LakeShore 8400 series) menggunakan elektroda Al dalam geometri van der Pauw di bawah 0,6 T. Pengukuran dilakukan dari 300–350 K dengan interval 10 K dalam atmosfer Ar.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan pola XRD sebelum dan setelah pengeringan. Sampel yang dipanaskan pada 120 °C mempertahankan puncak MAPbI₃ murni pada 14,04°, 28,42°, dan 43,08° (110, 220, 330). Pengeringan pada 145 °C memperkenalkan puncak baru pada 12,56°, yang sesuai dengan bidang (001) PbI₂, mengindikasikan dekomposisi perovskit di atas 145 °C. Hal ini sesuai dengan laporan sebelumnya bahwa perawatan termal di atas 145 °C melepaskan CH₃NH₃⁺, sehingga meninggalkan PbI₂.

Gambar SEM (Gambar 2) mengungkapkan film yang padat dan menyeluruh di semua perawatan. Pada 145 °C, kontras cerah di batas butir mengindikasikan pembentukan PbI₂, mengkoraborasi data XRD. Dengan demikian, pengeringan di atas 145 °C mendorong segregasi PbI₂ ke batas butir.

Mobilitas Hall (Gambar 3) sekitar 0,6–1 cm²/V·s untuk sampel tanpa pengeringan, 100 °C, dan 120 °C, sesuai dengan nilai literatur. Secara menakjubkan, film 145 °C mencapai sekitar 5 cm²/V·s—kenaikan satu urutan magnitud. Ini menunjukkan pemburulan yang berkurang, kemungkinan besar karena pasivasi batas butir oleh PbI₂, yang menurunkan hambatan potensial.

Data Hall yang bergantung pada suhu (Gambar 4a) menunjukkan bahwa mobilitas naik seiring dengan suhu untuk sampel tanpa pengeringan dan 120 °C—karakteristik transportasi yang dibatasi batas butir, di mana pembawa muatan mengatasi hambatan potensial. Dengan menerapkan model Seto, ln μ versus 1000/T menghasilkan ketinggian hambatan 208 meV (tanpa pengeringan) dan 147 meV (120 °C). Sebaliknya, film 145 °C menunjukkan ketergantungan T⁻²,⁰, yang mengindikasikan pemburulan fonon akustik dan pengaruh batas butir yang dapat diabaikan. Dengan demikian, PbI₂ yang terdekomposisi di batas butir secara efektif menekan ketinggian hambatan, menggeser mekanisme pemburulan dominan.

Analisis TRPL (Gambar 5, Tabel 1) mengungkapkan komponen umur panjang yang stabil (~20 ns) di semua sampel, sementara komponen cepat meningkat dari 1,39 ns (tanpa pengeringan) menjadi 6,05 ns (145 °C). Peluruhan cepat yang diperpanjang mencerminkan rekombinasi permukaan/antarmuka yang berkurang, mengonfirmasi lebih lanjut pasivasi PbI₂ di batas butir.

Kesimpulan

Film MAPbI₃ yang dihasilkan melalui reaksi vapor-larutan menunjukkan fase perovskit murni dan sifat optoelektronik yang khas. Pengeringan termal pada 145 °C menginduksi pembentukan PbI₂ di batas butir, yang secara efektif memasivasi hambatan batas butir. Pasivasi ini menekan pemburulan batas butir, menggeser mekanisme dominan ke pemburulan fonon akustik, dan meningkatkan mobilitas Hall menjadi 5 cm²/V·s—yang jauh lebih tinggi dibandingkan 0,6 cm²/V·s film tanpa pengeringan.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data yang mendukung studi ini tersedia dari penulis corrispondensi atas permintaan.

Singkatan

GBs:

Batas butir

HOIPs:

Perovskit organik-hinbrid

MAPbI₃:

CH₃NH₃PbI₃

SEM:

Mikroskopi elektron pemindai

SKPM:

Mikroskopi sonde Kelvin pemindai

TRPL:

Fotoluminensi terpecahkan waktu

XRD:

Diffraksi X