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Quantifying Stabilized Phase Purity in Formamidinium-Based Multiple-Cation Hybrid Perovskites

Résumé

A promising approach for the production of highly efficient and stable hybrid perovskite solar cells is employing mixed-ion materials. Remarkable performances have been reached by materials comprising a stabilized mixture of methylammonium (MA(+)) and formamidinium (FA(+)) as a monovalent cation. We compare and quantify the methods of stabilizing FA(-) based perovskites involving the additional blending of the smaller inorganic cations cesium (Cs+) and rubidium (Rb+), which can lead to an improvement in phase purity of black cubic perovskite modification. Even under excess lead iodide conditions, the presence of a separate PbI2 phase as well as hexagonal phases, which are very common for formamidinium-containing perovskites, can be drastically reduced or even completely prevented. In this aspect, adding both Cs+ and Rb+ showed greater effectivity than only adding Cs+, enabling an increase in the percentage of the cubic phase within the material from 45% in the double-cation FA:MA mixture to 97.8% in the quadruple composition. The impact of admixing inorganic cations on the perovskite crystal structure resulted in enlarged homogeneous crystallite sizes and a less pronounced orientational order and indicated also minor modifications of unit cell sizes. Finally, we discuss the impact of the phase purity on charge-carrier recombination dynamics and solar cell performance.

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Cellule photovoltaïque à pérovskite
Une cellule photovoltaïque à pérovskite est un type de cellule photovoltaïque dont la couche active est constituée d'un matériau de formule générale à structure pérovskite dans laquelle A est un cation, généralement de méthylammonium (MA), de formamidinium ou de césium , B est un cation d'étain ou de plomb , et X est un anion halogénure tel que chlorure , bromure ou iodure . Le rendement des cellules photovoltaïques utilisant ces matériaux est en constante augmentation depuis la fin des années 2000.
Pérovskite (structure)
La pérovskite, du nom du minéralogiste russe L. A. Perovski, est une structure cristalline commune à de nombreux oxydes. Ce nom a d'abord désigné le titanate de calcium de formule CaTiO, avant d'être étendu à l'ensemble des oxydes de formule générale ABO présentant la même structure. Les pérovskites présentent un grand intérêt en raison de la très grande variété de propriétés que présentent ces matériaux selon le choix des éléments A et B : ferroélasticité (par exemple ), ferroélectricité (par exemple ), antiferroélectricité (par exemple PbZrO), ferromagnétisme (par exemple YTiO), antiferromagnétisme (LaTiO) La structure pérovskite de plus haute symétrie est une structure de symétrie cubique.
Cellule photovoltaïque
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