[論文レビュー] Opposites Attract, Muons as Direct Probes for Iodide Diffusion in Methyl Ammonium Lead Iodide

Dominic Ferdani, Andrew L. Johnson+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Advanced NMR Techniques and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、太陽電池に用いられる重要なペロブスカイト材料であるメチルアンモニウム lead チオドライブ（MAPbI₃）におけるヨウ化イオン拡散を直接プローブするため、ミュオンスピンリダクション（μSR）を用いた。この手法は、埋め込まれたミュオンが局所的な磁場環境と相互作用することにより、ヨウ化イオンの運動を検出する。300 Kにおける拡散係数は1.6 × 10⁻¹⁴ cm²/sであり、外部バイアスが存在しない状態でもイオンの移動性が確認された直接的証拠を提供する。

ABSTRACT

The volume of research into organo-lead hailde perovskites is increasing rapidly, with perovskite solar cell efficiencies reaching as high as 22 percent. There is considerable evidence that mobile ions in the perovskite strongly influence the properties of the solar cell, with the majority of studies carried out on whole cells under bias. Here we use muon spin relaxation to directly probe iodide diffusion in methyl ammonium lead iodide (MAPI). This is the first time that has been used to detect iodide diffusion in any material and the results provide valuable insight into the movement of ions in lead halide perovskites. The experiment was carried out in the dark with no external biases applied and allowed us to calculate a diffusion coefficient of 1.6 x10-14 cm2/s for iodide in MAPI at 300 K.

研究の動機と目的

• 外部電気的バイアスなしで、メチルアンモニウム lead チオドライブ（MAPbI₃）におけるヨウ化イオン拡散を直接プローブすること。
• ペロブスカイト研究で一般的に用いられるセル全体構成における間接的測定の限界を克服すること。
• 革新的な実験的手法を用いてハライドペロブスカイトにおけるイオン移動度に関する定量的知見を提供すること。
• ミュオンスピンリダクションをハイブリッドペロブスカイトにおけるイオンダイナミクスを研究する有効なツールとして確立すること。

提案手法

• 陽性ミュオンをMnAI結晶格子内の局所的磁場プローブとしてイオン化する。
• 測定されたミュオンスピンリダクション率は、移動性のあるヨウ化イオンに敏感な局所的磁場分布を反映する。
• 外部バイアスなし、暗所条件下で実験を実施し、内在的なイオン拡散を分離する。
• 時間依存的なミュオンスピンリダクションスペクトルを解析して、イオン拡散係数を抽出する。
• この手法は、移動性のあるヨウ化イオンがミュオン位置における局所的磁場に動的フラクチュエーションを引き起こすという原理に基づく。
• イオンの運動に起因するミュオンスピン偏極の時間発展を考慮したモデルを用いてデータをフィッティングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロバイアス条件下におけるメチルアンモニウム lead チオドライブにおけるヨウ化イオンの内在的拡散係数は何か？
• RQ2 ペロブスカイト格子内におけるヨウ化イオンの運動は、ミュオンスピンリダクションにどのように応答するか？
• RQ3 従来の技術が限界に達するハライドペロブスカイトにおいて、ミュオンスピンリダクションはイオン拡散を検出・定量できるか？
• RQ4 室温におけるMAPIにおけるヨウ化イオン移動度の大きさは何か？
• RQ5 本研究で観察されたイオン拡散行動は、デバイスレベルの測定から推定されたものとどのように比較できるか？

主な発見

• 本研究では、300 Kにおける拡散係数が1.6 × 10⁻¹⁴ cm²/sであることを直接測定した。
• この値はゼロバイアス、暗所条件下で得られ、電子的または電気化学的寄与が排除された。
• 外部電界が存在しない状態でも、ヨウ化イオンがMAPI中で移動可能であることが確認された。
• ミュオンスピンリダクション手法はイオン運動を効果的に検出でき、イオンダイナミクスの直接的プローブとしての有効性が裏付けられた。
• 測定された拡散係数は、ペロブスカイト材料に顕著なイオン伝導度が存在することを裏付ける。
• 本研究は、ミュオンを用いた分光法を用いたハイブリッドペロブスカイトにおけるイオン輸送の研究の新たな実験的道筋を確立した。