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Exciton Dissociation and Suppressed Charge Recombination at 2D Perovskite Edges: Key Roles of Unsaturated Halide Bonds and Thermal Disorder

化学 激发态 激子 卤化物 钙钛矿(结构) 化学物理 极化子 离解(化学) 电子 基态 密度泛函理论 分子物理学 原子物理学 凝聚态物理 计算化学 物理化学 无机化学 物理 结晶学 量子力学
作者
Zhaosheng Zhang,Wei‐Hai Fang,Run Long,Oleg V. Prezhdo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (39): 15557-15566 被引量:114
标识
DOI:10.1021/jacs.9b06046
摘要

Two-dimensional (2D) Ruddlesden-Popper perovskites form a new class of solar energy materials with high performance, low cost and good stability. Nonradiative electron-hole recombination is the main source of charge and energy losses, limiting material efficiency. Experiments show that edge states in 2D halide perovskites accelerate exciton dissociation into long-lived charge carriers, improving performance. Using a combination of nonadiabatic molecular dynamics and time-domain density functional theory, we demonstrate that unsaturated chemical bonds of iodine atoms at perovskite edges is the main driving force for hole localization. Chemically unsaturated Pb atoms confine electrons to a much lesser extent, because they more easily support different oxidation states and heal chemical defects. This difference between defects associated with metals and nonmetals is general to many nanoscale systems. Thermal atomic fluctuations play important roles in charge localization, even in the bulk region of 2D perovskite films, a phenomenon that is different from polaron formation. Charge localization at edges is robust to thermal excitation at ambient conditions. The separated charges live a long time, because the nonadiabatic coupling between the excited and ground states is small, under 1 meV, and quantum coherence is short, less than 10 fs. The calculations agree very well with the time-resolved optical measurements on both luminescence lifetime and line width. The detailed understanding of the excited state dynamics in the 2D halide perovskites generated by the simulations highlights the unique chemical properties of these materials, and provides guidelines for design of efficient and inexpensive solar energy materials.
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