Stabilisierung von Perowskitstrukturen durch Anpassung des Toleranzfaktors: Bildung von Formamidinium- und Cäsiumbleiiodid-Festkörperlegierungen

Der Goldschmidt-Toleranzfaktor (t) ist ein empirischer Index zur Vorhersage stabiler Kristallstrukturen von Perowskitmaterialien. Ein t-Wert zwischen 0,8 und 1,0 ist vorteilhaft für eine kubische Perowskitstruktur, während größere (>1) oder kleinere (<0,8) Werte des Toleranzfaktors in der Regel zu nicht-Perowskitstrukturen führen. CH(NH2)2PbI3 (FAPbI3) kann in der Perowskit-α-Phase (schwarze Phase) mit guten photovoltaischen Eigenschaften existieren. Es hat jedoch einen großen Toleranzfaktor und ist stabiler in der hexagonalen δH-Phase (gelbe Phase), mit einer δH-zu-α-Phasenübergangstemperatur, die höher als Raumtemperatur ist. Andererseits wird CsPbI3 bei Raumtemperatur aufgrund seines kleinen Toleranzfaktors in einer orthorhombischen Struktur (δO-Phase) stabilisiert. Wir haben festgestellt, dass durch die Legierung von FAPbI3 mit CsPbI3 der effektive Toleranzfaktor angepasst werden kann und die Stabilität der fotoaktiven α-Phase der gemischten Festkörperperowskitlegierungen FA1–xCsxPbI3 erhöht wird, was mit unseren Berechnungen aus erster Prinzipien übereinstimmt. Dünne Filme der Perowskitlegierung FA0.85Cs0.15PbI3 zeigen eine deutlich verbesserte Stabilität in einer hochfeuchten Umgebung; dies steht im starken Kontrast zu dem reinen FAPbI3-Film, bei dem der α-zu-δH-Phasenübergang (der mit einer Vergilbung des Erscheinungsbildes verbunden ist) durch feuchte Umgebungen beschleunigt wird. Aufgrund der Phasestabilisierung zeigte die Festkörperlegierung FA0.85Cs0.15PbI3 eine bessere Leistung von Solarzellen und Geräte-Stabilität als ihre FAPbI3-Pendants. Unsere Studien deuten darauf hin, dass die Anpassung des Toleranzfaktors durch Festkörperlegierung eine allgemeine Strategie zur Stabilisierung der gewünschten Perowskitstruktur für Solarzellenanwendungen sein kann.