[논문 리뷰] Degradation by Exposure of Co-Evaporated CH3NH3PbI3 Thin Films

Youzhen Li, Xuemei Xu외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 22.

Perovskite Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 XPS와 XRD를 사용하여 산소, 건조 공기, 대기 중 공기 및 수증기에 노출된 공증착된 CH3NH3PbI3 페로브스카이트 박막의 열화를 조사한다. 주요 발견은 CH3NH3PbI3가 산소와 건조 공기에는 매우 안정하지만, 수증기 노출 임계치 약 ~2×10^10 L 이상에서 급속한 분해를 겪으며 질소와 요오드 손실 및 PbI2, 탄소 및 산소 오염물질 생성을 초래한다.

ABSTRACT

Degradation of co-evaporated CH3NH3PbI3 thin films was investigated with x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and x-ray diffraction (XRD) as the films were subjected to exposure of oxygen, dry air, ambient, or H2O. The co-evaporated thin films have consistent stoichiometry and crystallinity suitable for detailed surface analysis. The results indicate that CH3NH3PbI3 is not sensitive to oxygen. Even after 10^13 Langmuire (L, one L equals 10^-6 torr sec) oxygen exposure, no O atoms could be found on the surface. The film is not sensitive to dry air as well. A reaction threshold of about 2*10^10 L is found for H2O exposure, below which no CH3NH3PbI3 degradation takes place and the H2O acts as an n-dopant. Above the threshold, the film begins to decompose, and the amount of N and I decrease quickly, leaving the surface with PbI2, amorphous C and O contamination.

연구 동기 및 목표

• 제어된 산소, 건조 공기 및 수증기 노출 조건에서 공증착된 CH3NH3PbI3 박막의 환경적 안정성을 이해하기 위해.
• 페로브스카이트 박막에서의 화학적 분해에 대한 임계 조건과 열화 메커니즘을 규명하기 위해.
• 저노출 수준에서 수증기가 도핑제로 작용하는지 여부를 평가하기 위해.
• 노출 이후 표면 화학적 변화는 XPS를, 구조적 변화는 XRD를 사용하여 평가하기 위해.

제안 방법

• 일관된 스토이히오메트리와 높은 결정성을 확보하기 위해, 신뢰할 수 있는 표면 분석을 위한 CH3NH3PbI3 박막을 공증착법으로 제조하였다.
• 노출 후 표면의 원소 조성 변화를 모니터링하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하였다.
• 열화 동안의 구조적 변화와 상의 진화를 평가하기 위해 X선 회절(XRD)을 사용하였다.
• 산소, 건조 공기 및 수증기의 제어된 노출는 캘리브레이션된 가스 도스링 시스템을 사용하였으며, 노출 수준은 랑무어 단위(Langmuir 단위, 1 L = 10^-6 torr·s)로 정량화하였다.
• 표면 화학 및 결정 구조를 노출 전후로 비교하여 열화 임계치를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CH3NH3PbI3는 산소 노출에 민감한가? 표면 산화물이 형성되거나 화학적으로 분해되는가?
• RQ2 CH3NH3PbI3 박막의 영구적 열화를 유도하는 건조 공기 또는 수증기의 임계 노출 수준은 얼마인가?
• RQ3 저노출 수준에서 수증기가 도핑제로 작용하는가? 만약 그렇다면, 이 도핑 효과의 성격은 무엇인가?
• RQ4 장기간 대기 조건에 노출된 후 CH3NH3PbI3의 화학적 및 구조적 변화는 무엇인가?
• RQ5 상당한 수증기 노출 이후 표면에 형성된 최종 열화 생성물은 무엇인가?

주요 결과

• 10^13 L의 산소에 노출된 후 CH3NH3PbI3 박막에서 산소 흡착이 검출되지 않아 O2와의 반응이 없음을 나타낸다.
• 고노출 수준까지 건조 공기에서의 유의미한 열화가 관찰되지 않아 O2 또는 N2와의 반응이 없음을 시사한다.
• 약 2×10^10 L의 임계 수증기 노출 임계치가 확인되었으며, 이 이하에서는 열화가 발생하지 않고 수증기가 n형 도핑제로 작용한다.
• 2×10^10 L 이상의 임계치를 초과하면 질소와 요오드의 급속한 손실이 관찰되어 페로브스카이트 구조의 화학적 분해가 일어남을 나타낸다.
• 표면는 PbI2, 비정질 탄소 및 산소 오염물질의 혼합물로 변형되어 페로브스카이트 상의 완전한 열화가 일어남을 시사한다.
• XPS 및 XRD 결과는 분해가 불가역적이며 안정한 비페로브스카이트 상의 형성을 초래함을 확인하였다.