氧氣加速CH3NH3PbI3中碘空位形成

Brief background

近年來， 金屬鹵化物鈣鈦礦（metal halide perovskites, MHPs）由于其優(yōu)異的吸光能力、高載流子遷移率和較長(zhǎng)的擴(kuò)散長(zhǎng)度使其成為合適的光電器件材料應(yīng)用于太陽能電池、LED和光電探測(cè)器中。雖然MHPs在光伏器件具有很好的應(yīng)用前景，但是MHPs在工作環(huán)境（水汽、氧氣氛圍以及光照條件）中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。

Problem addressed

氧氣對(duì)MHPs具有雙面劍的影響：一方面，在干燥黑暗環(huán)境下鈣鈦礦既能在保持較好的對(duì)氧氣的穩(wěn)定性，氧氣也能提高空穴傳輸材料Spiro-MeOTAD的空穴傳輸能力；另外一方面，在光照條件下氧氣導(dǎo)致的MHPs的分解退化也不容忽視。然而MHPs在氧氣氛圍下的衰退分解反應(yīng)在原子層面的機(jī)理，氧氣對(duì)缺陷生成的作用，不同形態(tài)氧與電荷相互影響仍未十分清晰。

Major highlights

為了研究甲胺碘化鉛（MAPbI3）在氧氣中的不穩(wěn)定性機(jī)理，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué) Shuxia Tao助理教授團(tuán)隊(duì)利用密度泛函數(shù)理論計(jì)算（DFT）模擬了氧氣分別在MAPbI3無缺陷和缺陷表面的吸附模型及其計(jì)算了相應(yīng)的吸附能，發(fā)現(xiàn)氧氣在MAPbI3無缺陷的表面吸附較弱，在碘空位（Ivac）缺陷表面吸附較強(qiáng)。

接著計(jì)算了吸附氧氣之后MAPbI3的Ivac缺陷生成能，觀察到MAPbI3在吸附氧氣之后Pb-I鍵變?nèi)酰虼宋降难鯕饧铀倭薎vac缺陷的生成，特別是在缺陷表面處繼續(xù)生成之后甲胺陽離子MA+會(huì)發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)，加劇了MAPbI3的分解。最后向MAPbI3表面分別引入正負(fù)電荷，通過對(duì)比引入不同電荷后氧氣的鍵級(jí)變化，發(fā)現(xiàn)O2（鍵級(jí)為2.0）在得到電子之后轉(zhuǎn)變?yōu)镺2-（鍵級(jí)約為1.5）以及O22-（鍵級(jí)約為1.0），O22-會(huì)使MA+會(huì)發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)以及使MAPbI3結(jié)構(gòu)扭曲從而使得MAPbI3結(jié)構(gòu)分解。

相反的是，引入正電荷后O2鍵級(jí)維持不變，即正電荷抑制了O2鍵向O2-和O22-的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了MAPbI3在氧氣氛圍的穩(wěn)定性。該工作從理論角度解釋了實(shí)驗(yàn)中MAPbI3在黑暗非工作狀態(tài)下較穩(wěn)定保存以及光照工作狀態(tài)下不穩(wěn)定的機(jī)理。

審核編輯：劉清