Stabilizing Perovskite Structures by Tuning Tolerance Factor: Formation of Formamidinium and Cesium Lead Iodide Solid-State Alloys

甲脒 钙钛矿(结构) 碘化物 正交晶系 材料科学 相(物质) 合金 手套箱 无机化学 结晶学 化学工程 晶体结构 化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Zhen Li,Mengjin Yang,Ji‐Sang Park,Su‐Huai Wei,Joseph J. Berry,Kai Zhu
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:28 (1): 284-292 被引量:2186
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.5b04107
摘要

Goldschmidt tolerance factor (t) is an empirical index for predicting stable crystal structures of perovskite materials. A t value between 0.8 and 1.0 is favorable for cubic perovskite structure, and larger (>1) or smaller (<0.8) values of tolerance factor usually result in nonperovskite structures. CH(NH2)2PbI3 (FAPbI3) can exist in the perovskite α-phase (black phase) with good photovoltaic properties. However, it has a large tolerance factor and is more stable in the hexagonal δH-phase (yellow phase), with δH-to-α phase-transition temperature higher than room temperature. On the other hand, CsPbI3 is stabilized to an orthorhombic structure (δO-phase) at room temperature due to its small tolerance factor. We find that, by alloying FAPbI3 with CsPbI3, the effective tolerance factor can be tuned, and the stability of the photoactive α-phase of the mixed solid-state perovskite alloys FA1–xCsxPbI3 is enhanced, which is in agreement with our first-principles calculations. Thin films of the FA0.85Cs0.15PbI3 perovskite alloy demonstrate much improved stability in a high-humidity environment; this contrasts significantly with the pure FAPbI3 film for which the α-to-δH phase transition (associated with yellowing appearance) is accelerated by humidity environment. Due to phase stabilization, the FA0.85Cs0.15PbI3 solid-state alloy showed better solar cell performance and device stability than its FAPbI3 counterparts. Our studies suggest that tuning the tolerance factor through solid-state alloying can be a general strategy to stabilize the desired perovskite structure for solar cell applications.
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