Cation‐Disorder Engineering Promotes Efficient Charge‐Carrier Transport in AgBiS2 Nanocrystal Films

材料科学 载流子 半导体 硫系化合物 电子迁移率 化学物理 纳米技术 退火(玻璃) 光电子学 电荷(物理) 纳米晶 载流子寿命 兴奋剂 凝聚态物理 化学 物理 量子力学 复合材料
作者
Marcello Righetto,Yongjie Wang,Karim A. Elmestekawy,Chelsea Q. Xia,Michael B. Johnston,Gerasimos Konstantatos,Laura M. Herz
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (48): e2305009-e2305009 被引量:42
标识
DOI:10.1002/adma.202305009
摘要

Efficient charge-carrier transport is critical to the success of emergent semiconductors in photovoltaic applications. So far, disorder has been considered detrimental for charge-carrier transport, lowering mobilities, and causing fast recombination. This work demonstrates that, when properly engineered, cation disorder in a multinary chalcogenide semiconductor can considerably enhance the charge-carrier mobility and extend the charge-carrier lifetime. Here, the properties of AgBiS2 nanocrystals (NCs) are explored as a function of Ag and Bi cation-ordering, which can be modified via thermal-annealing. Local Ag-rich and Bi-rich domains formed during hot-injection synthesis are transformed to induce homogeneous disorder (random Ag-Bi distribution). Such cation-disorder engineering results in a sixfold increase in the charge-carrier mobility, reaching ≈2.7 cm2 V-1 s-1 in AgBiS2 NC thin films. It is further demonstrated that homogeneous cation disorder reduces charge-carrier localization, a hallmark of charge-carrier transport recently observed in silver-bismuth semiconductors. This work proposes that cation-disorder engineering flattens the disordered electronic landscape, removing tail states that would otherwise exacerbate Anderson localization of small polaronic states. Together, these findings unravel how cation-disorder engineering in multinary semiconductors can enhance the efficiency of renewable energy applications.
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