Unveiling the Structure and Role of Point and Planar Defects in Metal Halide Perovskite Solar Cells Using Low-dose Transmission Electron Microscopy

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作者
Weilun Li,Qimu Yuan,Michael B. Johnston,Mengmeng Hao,Lianzhou Wang,Joanne Etheridge
标识
DOI:10.14293/apmc13-2025-0298
摘要

Metal halide perovskite semiconductors are at the forefront of solar cell research, known for their high power conversion efficiencies, long carrier lifetimes, reduced recombination rates, and cost-effective production. However, practical applications are still constrained by issues such as structural instability, ion migration, hysteresis, and structural defects. Addressing these challenges requires an atomic-scale understanding of relationships between structure and performance. However, due to the extreme electron beam sensitivity of perovskites, atomic-scale studies via electron microscopy have been limited [ 1]. Here, we develop and apply low-dose electron microscopy techniques to uncover critical insights into structural defects that govern their unique properties. We present a sequence of atomic-level structural changes that precede degradation in Cs 1-xFA xPbI 3 quantum dots, a technologically important composition [ 2]. Initially, random formation of cation and anion vacancy pairs triggers a migration of remaining ions, unit cell by unit cell, into an ordered, stable intermediate superstructure ( Fig. 1). Further vacancy creation induces phase transitions via octahedral tilting, which is influenced by cation composition [ 3]. These insights reveal the underlying instability mechanisms in hybrid perovskites and point toward strategies to enhance device lifespan. Additionally, we explore the role of Ruddlesden-Popper (RP) planar defects in the formation and photophysical properties of CsPbI 3 perovskite films. Achieving phase-stable CsPbI 3 solar cells with high efficiency remains a major challenge. By varying the composition in CsPbI 3 prepared by thermal vapour deposition [ 4], we manipulate RP defect prevalence to access their impact on corresponding phase stability and optoelectronic performance [ 5]. Our findings indicate that RP defects effectively stabilise the perovskite phase by acting as internal free surfaces, although antisite defects at RP turning points may negatively impact electronic properties ( Fig. 2). Fig. 1 Low dose STEM-ADF images show A-site and I- vacancy ordering in ( A, B) FAPbI 3 and ( C, D) Cs 0.5FA 0.5PbI 3 [ 3]. Fig. 2. Ruddlesden-Popper planar defects in CsPbI 3 perovskite films [ 5].
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