Selective Stabilization and Photophysical Properties of Metastable Perovskite Polymorphs of CsPbI₃ in Thin Films

Abstract

All-inorganic cesium lead iodide (CsPbI3) perovskite has improved thermal stability over the organic–inorganic hybrid perovskites and a suitable bandgap for optoelectronic and photovoltaic applications, but it is thermodynamically unstable at room temperature and has multiple structural polymorphs. Here, we show that the use of long-chain ammonium additives during thin film deposition as surface capping ligands results in the stabilization of metastable bulk CsPbI3 perovskite phases without alloying mixed cations or anions into the perovskite lattice. Moreover, two different metastable CsPbI3 perovskite polymorphs in the cubic (α-CsPbI3) and the much less common orthorhombic (β-CsPbI3) structures can be directly synthesized in a one-step spin coating film deposition by using oleylammonium or phenylethyl­ammonium additives, respectively, and both phases are stable at room temperature for months. Time-resolved photoluminescence and photoluminescence quenching experiments show that the photoexcited species in the stabilized orthorhombic CsPbI3 thin film are mainly free carriers under solar illumination with a carrier lifetime of ∼50 ns and carrier diffusion length on the order of ∼100 nm, which implies efficient carrier transport within the film despite the presence of surface ligands. Our results provide a new chemical strategy to synthesize metastable all-inorganic CsPbI3 perovskites, which, together with the good photophysical properties, will open them up for applications in photovoltaic and other optoelectronic devices.

Ruddlesden–Popper 2D Component to Stabilize γ‐CsPbI3 Perovskite Phase for Stable and Efficient Photovoltaics

“…[46] For the CsPbI 3 , such strategies were also explored. [50] Etgar and co-workers also showed when the α-CsPbI 3 dimensionality is reduced, the black phase of α-CsPbI 3 could be stabilized. [47] Recently, Ma and co-workers pointed that Yb doping can reduce the number of defects and trap states, and obtained high PCE of 14.1%.…”

Reveal the growth mechanism in perovskite films via weakly coordinating solvent annealing

“…Note that, we tested these films after a period of time after films deposition. According to the report of Jin's group [53,54], there should be orthorhombic phase CsPbI 3 with large grain size shown in Fig. 6a.…”

Anorganische CsPbX3‐Perowskit‐Solarzellen: Fortschritte und Perspektiven

“…[30] Eine kubische Perowskitstruktur kann in der Regel erhalten werden, wenn t zwischen 0.9 und 1l iegt (Abbildung 1b). [30] Eine kubische Perowskitstruktur kann in der Regel erhalten werden, wenn t zwischen 0.9 und 1l iegt (Abbildung 1b).…”

“…[46] Die Bandlücken der a-Phase (1.73 eV) und g-Phase (1.67 eV) sind sehr ähnlich -erstere ist etwas günstiger füre ine Si-Tandemzelle,l etztere etwas günstiger füre ine Singlejunction-Zelle. Eine entsprechende Zelle zeigte eine PCE von 6.5 %m it einer Leerlaufspannung V OC von 1.06 V. [30] Zhao et al beschrieben die Bildung von orthorhombischen g-CsPbI 3 -Schichten mit intrinsischer thermodynamischer Stabilitätdurch Zugabe einer kleinen Menge Wasser (zusätzlich zur wässrigen HI). Im Vergleich zu den 2D/3D-Materialien (siehe unten) war die Konzentration des PEA viel hçher (doppelt so groß wie die Cs-Konzentration), wobei die orthorhombische Phase ohne Anzeichen von Überlagerung offenbar beibehalten blieb.D ie Schichten waren über 4 Monate an der Luft phasenstabil, was darauf zurückgeführt wurde,d ass die CsPbI 3 -Kristalle durch die sperrigen organischen Moleküle stabilisiert werden.…”

“…[85] Die wahrscheinliche Ursache hierfüri st die grçßere Phasenstabilitätv on a-CsPbI 3 in kolloidalen Quantenpunkten [36] und in kleinkristallinen polykristallinen Schichten, wie vorstehend erläutert wurde. [30] Copyright 2017, American Chemical Society.b )Optoelektronische Eigenschaften und Schema der Stabilisierung von g-CsPbI 3 .A bdruck mit Genehmigung [99] Copyright 2018, AmericanC hemical Society. Tatsächlich wurden in allen bisherigen Arbeiten mit CsPbI 3 -QDs Quantenpunkte mit Grçßen zwischen 10 und 30 nm verwendet, die nur einen sehr geringen (wenn überhaupt) Anstieg der E g -Werte zeigten.…”