Lavtemperaturkrystallisation af faserent α-formamidinium blyiodid muliggjort ved undersøgelse

Selvom der findes forskellige fremstillingsmetoder, to-trins deponering er en af ​​de vigtigste eksperimentelle teknikker, der nu bruges til at effektivisere, stabile PSC'er, især i industriel skala. Processen involverer først afsætning af blyiodid (PbI2) og derefter tilsætning af halogenidsalte af monovalente kationer såsom methylammoniumiodid (MAI) og formamidiniumiodid (FAI) for at omdanne det til perovskit.

Selvom denne totrinsdeponering er bedre end andre muligheder, det er vanskeligt at opretholde reproducerbar høj ydeevne og langsigtet stabilitet ved opskalering, mest på grund af manglende kontrol over fabrikationsprocessen. At opnå en forståelse af mekanismen bag halogenidperovskitkrystallisering på atomniveau er derfor afgørende.

I papiret "En kombineret molekylær dynamik og eksperimentel undersøgelse af to-trinsproces, der muliggør lavtemperaturdannelse af faseren α-FAPbI3, "forfatterne valgte at studere, til denne ende, to-trins fremstilling af methylammonium blyiodid (MAPbI3) og formamidinium blyiodid (FAPbI3).

Mens førstnævnte er et velundersøgt system, sidstnævnte blev valgt på grund af attraktive funktioner, herunder et båndgab på ~1,45 eV, mobilitet med høj opladning, og overlegen termisk stabilitet, der fremkommer i dens a-FAPbI3 polymorf. Problemet med denne perovskit er imidlertid, at α-fasen er metastabil, og den termodynamiske faseovergang kræver høje temperaturer på omkring 150 grader Celsius. Den kombinerede eksperimentelle og teoretiske undersøgelse, offentliggjort i 23. april-udgaven af Videnskabens fremskridt, afslørede de mikroskopiske detaljer i krystallisationsprocessen, fører vejen til opdagelsen af ​​en lavtemperaturvej til fremstillingen af ​​materialet.

Mens tidligere eksperimentel forskning på MAPbI3 afslørede, at to-trinsprocessen sker via interkalation af MA+-kationerne i PbI2-lag efterfulgt af en transformation til perovskitstrukturen via mellemfaser, eksperimenterne kunne ikke løse arten af ​​disse mellemfaser eller afklare den underliggende atomistiske mekanisme. Ved at bruge en molekylær dynamik (MD) undersøgelse baseret på en forbedret prøvetagningsteknik kaldet metadynamics (WTMetaD), holdet fandt ud af, at denne transformation finder sted gennem en sekvens af mellemprodukter. De teoretiske resultater var i overensstemmelse med eksperimenter, opfordrer forskerne til at undersøge, om en lignende proces også lå bag transformationen af ​​α-FAPbI3. Med udgangspunkt i simuleringer, de opdagede, at en to-trins proces faktisk er mulig ved lavere temperaturer i dette materiale. En række in situ røntgen- og tyndfilmseksperimenter bekræftede derefter dette resultat og muliggjorde lavtemperaturdannelse af faserene α-FAPbI3 tynde film.