Галогенид метиламмония свинца - Methylammonium lead halide

CH3NH3АТС3 Кристальная структура.[1]

Галогениды свинца метиламмония (MALH) - твердые соединения с структура перовскита и химическая формула CH3NH3АТС3, где X = I, Br или Cl. У них есть потенциальные приложения в солнечные батареи, лазеры, светодиоды, фотоприемники, детекторы излучения[2][3], сцинтиллятор[4], магнитооптическое хранилище данных[5] и производство водорода.[6]

Свойства и синтез

В CH3NH3АТС3 кубическая кристаллическая структура катион метиламмония (CH3NH3+) окружен PbX6 октаэдры. Ионы X не фиксированы и могут мигрировать через кристалл с энергией активации 0,6 эВ; миграция сопровождается вакансией.[1] Катионы метиламмония могут вращаться внутри своих клеток. При комнатной температуре ионы имеют ось CN, ориентированную в направлении лицевых сторон элементарных ячеек, и молекулы случайным образом меняют направление на другое из шести направлений граней в масштабе времени 3 пс.[7]

Рост CH3NH3PbI3 монокристалл в гамма-бутиролактон при 110 ° С. Желтый цвет происходит от иодид свинца (II) предшественник.[6]
Рост CH3NH3PbBr3 монокристалл в диметилформамид при 80 ° С.[6]

Растворимость MALH сильно снижается с повышением температуры: от 0,8 г / мл при 20 ° C до 0,3 г / мл при 80 ° C для CH3NH3PbI3 в диметилформамиде. Это свойство используется при выращивании монокристаллов и пленок MALH из раствора с использованием смеси CH3NH3Икс и PbX2 порошки в качестве прекурсора. Скорость роста 3–20 мм.3/ час для CH3NH3PbI3 и достигают 38 мм3/ час для CH3NH3PbBr3 кристаллы.[6]

Полученные кристаллы являются метастабильными и растворяются в растворе для выращивания при охлаждении до комнатной температуры. У них есть запрещенные зоны 2,18 эВ для CH3NH3PbBr3 и 1.51 эВ для CH3NH3PbI3, а их подвижность носителей составляет 24 и 67 см соответственно.2/(Против).[6] Их теплопроводность исключительно низкая, ~ 0,5 Вт / (К · м) при комнатной температуре для CH3NH3PbI3.[8]

Фоторазложение и термическое разложение CH3NH3АТС3

Первоначально предполагаемый механизм пути разложения CH3NH3PbI3 в присутствии воды[9]освобождая CH3NH2 и HI-газы были широко приняты исследователями в перовскитовый солнечный элемент. Позже было обнаружено, что основные газы, выделяющиеся при высокотемпературной (> 360 ° C) термической деградации CH3NH3PbI3 находятся йодистый метил (CH3Я и аммиак (NH3).[10][11]

В 2017 году это было сделано с использованием in situ XPS измерения, что в присутствии водяного пара, CH3NH3I соль не может быть продуктом распада CH3NH3PbI3 перовскит.[12]

Аналогичная высокотемпературная реакция разложения была подтверждена для CH3NH3PbBr3 [13]

Кроме того, высокое разрешение масс-спектрометрии измерения в условиях низких температур (<100 ° C), совместимые с фотоэлектрическим режимом, показали, что CH3NH3PbI3 подвергается обратимости,

и необратимые реакции химического разложения в вакууме при воздействии света или тепловых импульсов.[13]


Недавно был предложен метод количественной оценки внутренней химической стабильности произвольно смешанных гибридных галогенидных перовскитов. [14]

Приложения

MALH имеют потенциальное применение в солнечные батареи, лазеры [15], светодиоды, фотоприемники, детекторы излучения [3], сцинтиллятор[4] и производство водорода.[6] Эффективность преобразования энергии солнечных элементов MALH превышает 19%.[16][17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Имс, Кристофер; Frost, Jarvist M .; Барнс, Пирс Р. Ф .; о'Реган, Брайан С .; Уолш, Арон; Ислам, М. Сайфул (2015). «Перенос ионов в гибридных солнечных элементах с йодидом свинца и перовскитом». Nature Communications. 6: 7497. Bibcode:2015 НатКо ... 6.7497E. Дои:10.1038 / ncomms8497. ЧВК  4491179. PMID  26105623.
  2. ^ Нафради, Балинт (16 октября 2015 г.). «Иодид метиламмония свинца для эффективного преобразования энергии рентгеновских лучей». J. Phys. Chem. C. 2015 (119): 25204–25208. Дои:10.1021 / acs.jpcc.5b07876.
  3. ^ а б Якунин, С .; Дирин, Д .; Шинкаренко, Ю .; Morad, V .; Чернюх, И .; Назаренко, О .; Kreil, D .; Nauser, T .; Коваленко, М. (2016). «Детектирование гамма-квантов с использованием выращенных из раствора монокристаллов гибридных перовскитов галогенида свинца». Природа Фотоника. 10 (9): 585–589. Bibcode:2016НаФо..10..585л. Дои:10.1038 / nphoton.2016.139. HDL:20.500.11850/118934.
  4. ^ а б Бировосуто, М. Д. (16 ноября 2016 г.). «Рентгеновская сцинтилляция в кристаллах галогенида свинца перовскита». Sci. Представитель. 6: 37254. arXiv:1611.05862. Bibcode:2016НатСР ... 637254Б. Дои:10.1038 / srep37254. ЧВК  5111063. PMID  27849019.
  5. ^ Нафради, Балинт (24 ноября 2016 г.). «Оптически переключаемый магнетизм в фотоэлектрическом перовските CH3NH3 (Mn: Pb) I3». Nature Communications. 7: 13406. arXiv:1611.08205. Bibcode:2016НатКо ... 713406N. Дои:10.1038 / ncomms13406. ЧВК  5123013. PMID  27882917.
  6. ^ а б c d е ж Саидаминов, Махсуд И .; Abdelhady, Ahmed L .; Мурали, Банавот; Аларусу, Эркки; Бурлаков Виктор М .; Пэн, Вэй; Дурсун, Ибрагим; Ван, Линфэй; Он, Яо; Макулан, Джакомо; Гориели, Ален; Ву, Том; Мохаммед, Омар Ф .; Бакр, Осман М. (2015). «Высококачественные объемные гибридные монокристаллы перовскита за считанные минуты путем кристаллизации с обращенной температурой». Nature Communications. 6: 7586. Bibcode:2015НатКо ... 6.7586S. Дои:10.1038 / ncomms8586. ЧВК  4544059. PMID  26145157.
  7. ^ Бакулин, А.А .; Selig, O .; Баккер, HJ; Rezus, Y.L.A .; Muller, C .; Глейзер, Т .; Lovrincic, R .; Солнце, З .; Chen, Z .; Уолш, А .; Frost, J.M .; Jansen, T.L.C. (2015). "Наблюдение в реальном времени переориентации органических катионов в перовскитах иодида метиламмония свинца" (PDF). J. Phys. Chem. Латыш. 6 (18): 3663–3669. Дои:10.1021 / acs.jpclett.5b01555. HDL:10044/1/48952. PMID  26722739.
  8. ^ Пизони, Андреа; Ячимович, Ячим; Barišić, Osor S .; Спина, Массимо; Гаал, Ричард; Форро, Ласло; Хорват, Эндре (2014). «Сверхнизкая теплопроводность в органически-неорганическом гибридном перовските CH.3NH3PbI3". Письма в Журнал физической химии. 5 (14): 2488–2492. arXiv:1407.4931. Дои:10.1021 / jz5012109. PMID  26277821.
  9. ^ Frost, Jarvist M .; Батлер, Кейт Т .; Бривио, Федерико; Хендон, Кристофер Х .; ван Шильфгаард, Марк; Уолш, Арон (2014). "Атомистические истоки высокой эффективности гибридных галогенидных перовскитных солнечных элементов". Нано буквы. 14 (5): 2584–2590. arXiv:1402.4980. Bibcode:2014NanoL..14.2584F. Дои:10.1021 / nl500390f. ISSN  1530-6984. ЧВК  4022647. PMID  24684284.
  10. ^ Хуарес-Перес, Эмилио Дж .; Хаваш, Зафер; Raga, Sonia R .; Оно, Луис К .; Ци, Ябин (2016). «Термическое разложение перовскита CH3NH3PbI3 на газы NH3 и CH3I, наблюдаемое с помощью сопряженного термогравиметрического-масс-спектрометрического анализа». Energy Environ. Наука. 9 (11): 3406–3410. Дои:10.1039 / C6EE02016J. ISSN  1754-5692.
  11. ^ Уильямс, Элис Э .; Холлиман, Питер Дж .; Карни, Мэтью Дж .; Дэвис, Мэтью Л .; Уорсли, Дэвид А .; Уотсон, Тристан М. (2014). «Обработка перовскита для фотовольтаики: спектро-термическая оценка». J. Mater. Chem. А. 2 (45): 19338–19346. Дои:10.1039 / C4TA04725G. ISSN  2050-7488.
  12. ^ Чун-Рен Кэ, Джек; Уолтон, Алекс С .; Льюис, Дэвид Дж .; Тедстон, Александр; О'Брайен, Пол; Thomas, Andrew G .; Флавелл, Венди Р. (2017-05-04). «Исследование на месте деградации на поверхности металлоорганического перовскита с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии при реалистичном давлении водяного пара». Chem. Сообщество. 53 (37): 5231–5234. Дои:10.1039 / c7cc01538k. ISSN  1364-548X. PMID  28443866.
  13. ^ а б Хуарес-Перес, Эмилио Дж .; Оно, Луис К .; Маэда, Маки; Цзян, Ян; Хаваш, Зафер; Ци, Ябин (2018). «Фоторазложение и термическое разложение в перовскитах галогенида метиламмония свинца и предполагаемые принципы проектирования для повышения стабильности фотоэлектрических устройств». Журнал химии материалов A. 6 (20): 9604–9612. Дои:10.1039 / C8TA03501F.
  14. ^ Гарсиа-Фернандес, Альберто; Хуарес-Перес, Эмилио Дж .; Кастро-Гарсия, Сокорро; Санчес-Андухар, Мануэль; Оно, Луис К .; Цзян, Ян; Ци, Ябин (2018). «Сравнительный анализ химической стабильности произвольно смешанных трехмерных гибридных галогенидных перовскитов для применения в солнечных батареях». Малые методы. 2 (10): 1800242. Дои:10.1002 / smtd.201800242.
  15. ^ Дешлер, Феликс; Прайс, Майкл; Патхак, Сандип; Клинтберг, Лина Э .; Джарауш, Давид-Доминик; Хиглер, Рубен; Хюттнер, Свен; Лейтенс, Томас; Стрэнкс, Сэмюэл Д .; Снайт, Генри Дж .; Ататюр, Мете; Филлипс, Ричард Т .; Друг, Ричард Х. (2 апреля 2014 г.). «Высокая эффективность фотолюминесценции и лазерная генерация с оптической накачкой в ​​полупроводниках на основе смешанных галогенидов на основе перовскита». Письма в Журнал физической химии. 5 (8): 1421–1426. Дои:10.1021 / jz5005285.
  16. ^ Чжоу, H .; Chen, Q .; Li, G .; Luo, S .; Песня, Т.-б .; Duan, H.-S .; Hong, Z .; Вы, Дж .; Liu, Y .; Ян, Ю. (2014). «Разработка сопряжения высокоэффективных перовскитных солнечных элементов». Наука. 345 (6196): 542–6. Bibcode:2014Научный ... 345..542Z. Дои:10.1126 / science.1254050. PMID  25082698.
  17. ^ Хо, Джин Хёк; Сон, Дэ Хо; Хан, Хе Джи; Ким, Сон Ён; Ким, Джун Хо; Ким, Дасом; Шин, Хи Вон; Ан, Тэ Гю; Вольф, Кристоф; Ли, Тэ-Ву; Им, Сан Хёк (2015). «Планар СН»3NH3PbI3 Перовскитные солнечные элементы с постоянной средней эффективностью преобразования энергии 17,2% независимо от скорости сканирования ». Современные материалы. 27 (22): 3424–30. Дои:10.1002 / adma.201500048. PMID  25914242.