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Angew. Chem. :納米尺度下揭示鈣鈦礦中有機陽離子的遷移行為2024-10-26
有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦具有光電轉化效率高、成本低等優點,是最具發展潛力的下一代光伏材料之一。然而,受離子遷移和外界刺激影響,有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦的結構不夠穩定,阻礙了其商業化的進程。離子遷移作為鈣鈦礦固有性質,無法通過封裝等方法解決,從源頭上理解鈣鈦礦的離子遷移機理,是提升鈣鈦礦性能和指導高性能器件設計的關鍵。有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦薄膜的晶粒、晶界和位錯等結構特征均在納米尺度,因此,發展納米尺度上測量離子遷移的新技術,對于理解其結構-功能關系具有重要意義。

近日,南京大學夏興華教授、李劍副研究員團隊提出了一種基于紅外光生力顯微技術的三維納米紅外成像方法,通過表面敏感的外差測量模式和體積敏感的零差測量模式,實現了優于10 nm空間分辨的原位區分有機陽離子在鈣鈦礦中沿晶界和晶格的遷移途徑:低外電場下,有機陽離子沿鈣鈦礦薄膜表面和晶界遷移;隨著電場增加,晶體中的有機陽離子也能發生遷移。時間分辨的納米紅外信號演化結果表明,甲胺離子在晶界處的遷移速度與鹵化物離子的擴散速度相當。

 

 

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在低電場下,鈣鈦礦薄膜表面的甲胺離子信號明顯降低,而晶粒上的信號幾乎沒有變化,表明只有晶界上的離子發生了遷移。

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驅動電場強度依賴的測量結果表明,鈣鈦礦薄膜中有機陽離子遷移通道將隨電場強度發生轉變。低電場下,甲胺陽離子優先在晶粒的表面和晶界遷移,且晶粒越小或晶界越多,越有利于陽離子的快速遷移,使得在VOC曲線出現第一個平臺。而在較高電場下,晶粒內部的甲胺陽離子會被激活遷移,大量甲胺陽離子通過體相遷移通道從陽極遷移到陰極,部分解釋了VOC曲線中出現的第二階段,強調了有機陽離子對整個離子遷移現象的重要貢獻。

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此外,作者通過單點時間分辨(2 ms)納米紅外信號的測量,首次在實驗上測量了甲胺陽離子沿晶界的遷移速度為2.2×10-8?cm2s-1

本工作在納米尺度上為鈣鈦礦器件中甲胺陽離子遷移行為提供了清晰的見解,所提出的時空分辨測量方法對于揭示有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦光電器件中有機離子的遷移機制具有廣泛的適用性。

文信息

Nanometer-Resolved Mapping of Organic Cation Migration Behavior in Methylammonium Lead Halide Perovskites

Jing Liang, Mu-Hao Lan, Jie Pang, Xing-Hua Xia, Jian Li

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202410557

 

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