[논문 리뷰] Pressure-induced reversible phase transition and amorphization of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$

Kai Wang, Ran Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 12.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 13인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 다이아몬드 압력 셀과 동기광선 X선 회절을 사용하여 CH₃NH₃PbI₃의 고압 거동를 조사하였으며, 0.3 GPa에서 정사각형에서 삼량체로의 가역적 상전이와 4 GPa 이상에서의 비정질화가 관찰되었고, 압력 해제 시에 완전히 가역적인 것으로 나타났다. 광학 및 적외선 스펙트로스코피를 통해 메틸아미늄 카이온의 압력 유도 구조적 및 전자적 변화가 추가로 확인되어, 광전자 응용을 위한 퍼보스카이트 재료의 내재적 안정성에 대한 중요한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Recent advances of highly efficient solar cells based on organic-inorganic halide perovskites have triggered intense research efforts to establish the fundamental properties of these materials. In this work, we utilized diamond anvil cell to investigate the pressure-induced structural and electronic transformations in methylammonium lead iodide (CH$_3$NH$_3$PbI$_3$) up to 7 GPa at room temperature. The synchrotron X-ray diffraction experiment show that the sample transformed from tetragonal to orthorhombic phase at 0.3 GPa and amorphized above 4 GPa. Further high pressure IR spectroscopy experiments illustrated the high pressure behavior of organic (CH$_3$NH$_3$)$^+$ cations. We also analyzed the pressure dependence of the band gap energy based on the optical absorption and photoluminescence (PL) results. Moreover, all the observed changes were fully reversible when the pressure was completely released. Our in situ high pressure studies provide essential information for the intrinsic properties and stability of organic-inorganic halide perovskites, which significantly affect the performance of perovskite solar cells.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 CH₃NH₃PbI₃의 내재적 구조적 및 전자적 안정성을 이해하기 위해.
• 메틸아미늄 lead 이odide에서의 압력 유도 상전이 및 비정질화를 규명하기 위해.
• 압력 해제 시 구조적 및 전자적 변화의 가역성을 확인하기 위해.
• 적외선 스펙트로스코피를 활용하여 압력 효과가 유기성 (CH₃NH₃)⁺ 카이온의 거동과 어떻게 관련되는지 규명하기 위해.
• 고압 거동이 퍼보스카이트 태양전지의 성능 및 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 고압 실험은 고온에서 최대 7 GPa까지의 압력을 가할 수 있는 다이아몬드 압력 셀을 사용하여 수행되었다.
• 실시간으로 CH₃NH₃PbI₃의 구조적 변화를 모니터링하기 위해 동기광선 X선 회절이 사용되었다.
• 고압 적외선 스펙트로스코피를 활용하여 (CH₃NH₃)⁺ 카이온의 진동 모드를 분석하였다.
• 광학적 흡수 및 광발광 측정을 통해 밴드 갭 에너지의 압력 의존성을 규명하였다.
• 압력 해제 동안의 압력 유도 변화를 모두 압축 및 복압 과정에서 모니터링하여 가역성을 평가하였다.
• 데이터 분석은 상 식별, 밴드 갭 변화 추세, 그리고 압력 하에서의 카이온 동역학을 중심으로 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CH₃NH₃PbI₃에서 고압 조건에서 발생하는 구조적 상전이는 무엇이며, 어느 압력에서 발생하는가?
• RQ2 CH₃NH₃PbI₃의 비정질화는 어느 압력에서 시작되며, 복압 시에 가역적인가?
• RQ3 CH₃NH₃PbI₃의 전자 밴드 갭은 증가하는 압력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 적외선 스펙트로스코피를 통해 고압에서 메틸아미늄 (CH₃NH₃)⁺ 카이온은 어떻게 반응하는가?
• RQ5 CH₃NH₃PbI₃에서 고압 조건에서 발생한 구조적 및 전자적 변화는 압력 해제 시 어느 정도까지 가역적인가?

주요 결과

• CH₃NH₃PbI₃는 고압에서 0.3 GPa에서 정사각형 구조에서 삼량체 구조로의 가역적 상전이를 겪는다.
• CH₃NH₃PbI₃는 4 GPa 이상에서 X선 회절 패턴에서 장거리 질서의 손실을 통해 비정질화가 시작됨을 확인하였다.
• 압력 해제 시에 상전이 및 비정질화를 포함한 모든 구조적 및 전자적 변화가 완전히 가역적임을 입증하였다.
• 광학적 흡수 및 광발광 측정을 통해 CH₃NH₃PbI₃의 밴드 갭은 압력 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났다.
• 고압 적외선 스펙트로스코피를 통해 (CH₃NH₃)⁺ 카이온의 진동 모드에 상당한 변화가 관찰되어, 圧축에 의한 구조적 왜곡과 동적 무질서가 발생함을 시사하였다.
• 관찰된 고압 거동은 CH₃NH₃PbI₃가 내재적 구조 유연성과 가역성을 보이며, 광전자 장치에서의 안정성 이해에 핵심적임을 확인하였다.