Combining Organic Cations of Different Sizes Grants Improved Control over Perovskitoid Dimensionality and Bandgap

卤化物 带隙 化学 钙钛矿(结构) 吸收边 吸收(声学) Crystal(编程语言) 光电子学 结晶学 光学 无机化学 材料科学 计算机科学 物理 程序设计语言
作者
Isaiah W. Gilley,Hyoung Woo Kwon,Cheng Liu,Yi Yang,Chuying Huang,Haoyue Wan,Abdulaziz S. R. Bati,Evan H. Oriel,Mikaël Képénékian,Badri Vishal,Stefan Zeiske,Khasim Saheb Bayikadi,Taylor E. Wiggins,Eugenia S. Vasileiadou,Bin Chen,Richard D. Schaller,Jacky Even,Stefaan De Wolf,Edward H. Sargent,Mercouri G. Kanatzidis
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (9): 7777-7787
标识
DOI:10.1021/jacs.4c17654
摘要

Because mixed-halide wide-bandgap (1.6-2.0 eV) perovskite solar cells suffer from operating instability related to light-induced halide segregation, it is of interest to study alternative means of bandgap widening. Perovskitoids combine wide bandgaps and structural stability resulting from face- or edge-sharing octahedral connections in their crystal structures. Unfortunately, there existed no prior reports of three-dimensional (3D) perovskitoids having direct bandgaps with optical absorption edges less than 2.2 eV. As the most significant predictor of perovskitoid bandgaps is the fraction of corner-sharing in their crystal structures, we hypothesized that increasing the amount of corner-sharing would access lower bandgaps than previously reported. We accomplished this by mixing a spacer cation within the size range for 3D perovskitoid formation with a smaller perovskite-forming cation. We explored three spacer cations of different sizes: ethylammonium (EA), cyclopropylammonium (c-C3A), and cyclobutylammonium (c-C4A), combining these with methylammonium (MA), and found that the middle cation, c-C3A, pairs with MA to form a 3D perovskitoid with the formula (c-C3A)3(MA)3Pb5I16 and a direct bandgap with an optical absorption edge at 2.0 eV. Solution-processed films of this perovskitoid showed improved light stability over mixed-halide perovskites, and solar cells based on these films exhibit increased maximum power point operating stability compared to reference mixed-halide devices.
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