熱的に安定な有機金属ハライドペロブスカイトマイクロロッドのサイズ成長制御。二重ドーピング、格子ひずみ工学、反溶媒結晶化、バンドギャップ調整特性の相乗効果

Controlled Size Growth of Thermally Stable Organometallic Halide Perovskite Microrods: Synergistic Effect of Dual-Doping, Lattice Strain Engineering, Antisolvent Crystallization, and Band Gap Tuning Properties.

• Mohammed Nazim
• Jae Hyun Kim

抄録

有機金属ハロゲン化物ペロブスカイトは光捕集材料として、大気中での安定性に劣るにもかかわらず、高性能ペロブスカイト太陽電池の費用対効果の高いエネルギー生産のために広く利用されている。本研究では、ヨウ化メチルアンモニウム鉛(CHNHPbI)ペロブスカイトにKMnOをドープし、反溶媒結晶化法を用いてマイクロメートル長のペロブスカイトマイクロロッドを作製することに成功した。このようにして得られたKMnO添加ペロブスカイトマイクロロッドは、無添加のCHNHPbIと比較して、鋭く、狭く、赤くシフトしたフォトルミネッセンスバンドを示すとともに、高い格子ひずみを示し、熱安定性が向上していることがわかった。また、KMnO添加ペロブスカイト型マイクロロッドの合成において、低沸点溶媒である無水クロロホルムを反溶媒として用いることで、サイズが制御されたペロブスカイト型マイクロロッドの合成が可能であることを確認した。その結果、KMnO添加ペロブスカイトマイクロロッドは、ペロブスカイト結晶相を維持したまま、エネルギーバンドギャップ(約1.57eV)を低減させた。42×10）, ゴールドスミス耐性係数(約0.89)及び転位密度(約5.82×10)が改善されたことから、ウィリアムソンホールプロットから推定されるように、1.57eVの蛍光発光バンドが改善された。このように、得られた結果は、多様な光電子応用のために、ドープペロブスカイトナノ材料の周囲空気中でのエネルギーバンドギャップを低減した光学特性と高い熱安定性を向上させることができる可能性がある。この研究は、更なる応用に向けて、メチルアミン系ペロブスカイト材料と様々な金属ドーパントとの化学的ドーピングと相互作用の可能性についての新たな知見を与えるものである。

Organometallic halide perovskites, as the light-harvesting material, have been extensively used for cost-effective energy production in high-performance perovskite solar cells, despite their poor stability in the ambient atmosphere. In this work, methylammonium lead iodide, CHNHPbI, perovskite was successfully doped with KMnO using antisolvent crystallization to develop micrometer-length perovskite microrods. Thus, the obtained KMnO-doped perovskite microrods have exhibited sharp, narrow, and red-shifted photoluminescence band, as well as high lattice strain with improved thermal stability compared to undoped CHNHPbI. During the synthesis of the KMnO-doped perovskite microrods, a low boiling point solvent, anhydrous chloroform, was employed as an antisolvent to facilitate the emergence of controlled-size perovskite microrods. The as-synthesized KMnO-doped perovskite microrods retained the pristine perovskite crystalline phases and lowered energy band gap (∼1.57 eV) because of improved light absorption and narrow fluorescence emission bands (fwhm < 10 nm) with improved lattice strain (∼4.42 × 10), Goldsmith tolerance factor (∼0.89), and high dislocation density (∼5.82 × 10), as estimated by Williamson-Hall plots. Thus, the obtained results might enhance the optical properties with reduced energy band gap and high thermal stability of doped-perovskite nanomaterials in ambient air for diverse optoelectronic applications. This study paves the way for new insights into chemical doping and interaction possibilities in methylamine-based perovskite materials with various metal dopants for further applications.

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