[논문 리뷰] Opposites Attract, Muons as Direct Probes for Iodide Diffusion in Methyl Ammonium Lead Iodide

Dominic Ferdani, Andrew L. Johnson외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 11.

Advanced NMR Techniques and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 태양전지의 핵심 페로브스카이트 재료인 메틸아미늄 lead 이od화물(MAPbI3)에서 이od화 이온의 확산을 직접 탐사하기 위해 고전자기적 스핀 릴랙세이션(μSR)을 사용한다. 이 기법은 삽입된 고전자기의 국소 자기 환경과의 상호작용을 통해 이od화 이온의 운동을 감지하며, 300 K에서 1.6 × 10⁻¹⁴ cm²/s의 확산 계수를 도출하여 외부 전압이 가해지지 않은 상태에서도 이온 이동성의 직접적인 증거를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 전기적 편향 없이 메틸아미늄 페로브스카이트(MAPbI3)에서 이od화 이온의 확산을 직접 탐사하기 위해.
• 일반적으로 페로브스카이트 연구에서 사용되는 전체 셀 구조에서의 간접 측정 방법의 한계를 극복하기 위해.
• 새로운 실험적 접근법을 통해 할라이드 페로브스카이트에서의 이온 이동성에 대한 정량적 통찰을 제공하기 위해.
• MUON 스핀 릴랙세이션을 하이브리드 페로브스카이트에서 이온 동역학을 연구하는 실용적인 도구로 정립하기 위해.

제안 방법

• 삽입된 양성자기입자는 MAPI 결정 격자 내의 국소 자기 탐측자로 기능한다.
• 측정된 고전자기 스핀 릴랙세이션 속도는 국소 자기장 분포를 반영하며, 이는 이동 가능한 이od화 이온에 민감하다.
• 내부 전기적 영향을 분리하기 위해 어두운 환경에서 외부 전압 없이 실험를 수행하였다.
• 시간에 따라 변화하는 고전자기 스핀 릴랙세이션 스펙트럼을 분석하여 이온 확산 계수를 추출하였다.
• 이 방법은 이동 가능한 이od화 이온이 고전자기 위치에서 국소 자기장에 동적 변동을 유도한다는 원리를 기반으로 한다.
• 이온 운동으로 인한 고전자기 스핀 균형의 시간적 변화를 고려한 모델을 사용하여 데이터를 피팅하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 전압이 가해지지 않은 상태에서 메틸아미늄 페로브스카이트(MAPI)에서 이od화 이온의 본질적 확산 계수는 얼마인가?
• RQ2 페로브스카이트 격자 내에서 이od화 이온의 운동은 고전자기 스핀 릴랙세이션에 어떻게 반영되는가?
• RQ3 기존 기법이 제한되는 할라이드 페로브스카이트에서 고전자기 스핀 릴랙세이션은 이온 확산을 감지하고 정량화할 수 있는가?
• RQ4 실온에서 MAPI에서 이od화 이온의 이동성 크기는 어느 정도인가?
• RQ5 이 연구에서 관찰된 이온 확산 거동은 기기 수준의 측정에서 유추된 것과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 이 연구는 300 K에서 1.6 × 10⁻¹⁴ cm²/s의 확산 계수를 얻어 MAPI에서 이od화 이온의 직접 측정을 보고한다.
• 이 값은 외부 전압이 없고 어두운 조건에서 확보되었으며, 전자적 또는 전기화학적 기여를 배제한다.
• 결과는 외부 전기장이 없더라도 이od화 이온이 MAPI 내에서 이동 가능하다는 것을 확인한다.
• 고전자기 스핀 릴랙세이션 기법은 이온 운동을 성공적으로 감지하여 이온 동역학에 대한 직접 탐측 수 Mittel로의 유효성을 입증한다.
• 측정된 확산 계수 값은 페로브스카이트 재료 내에서 뚜렷한 이온 전도성이 존재한다는 데 일치한다.
• 이 연구는 고전자기 기반 분광법을 활용한 하이브리드 페로브스카이트에서 이온 이동을 연구하는 새로운 실험적 길을 열어 놓았다.