[論文レビュー] Degradation by Exposure of Co-Evaporated CH3NH3PbI3 Thin Films

Youzhen Li, Xuemei Xu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Perovskite Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、XPSおよびXRDを用いて酸素、ドライエア、アトモスフィックエア、および水蒸気への露出下における共蒸着法で作製されたCH3NH3PbI3ペロブスカイト薄膜の劣化を調査した。主な発見は、CH3NH3PbI3は酸素およびドライエアに対して非常に安定であるが、約2×10^10 Lの水蒸気露出閾値を超えると急速に分解し、窒素およびヨウ素の損失とPbI2、炭素、酸素不純物の生成を伴うことである。

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.

研究の動機と目的

• 酸素、ドライエア、水蒸気への制御された露出下における共蒸着法で作製されたCH3NH3PbI3薄膜の環境的安定性を理解すること。
• ペロブスカイト薄膜における化学的分解のための分解機構および臨界閾値を同定すること。
• 低露出レベルにおける水がドーパントとしての役割を果たすか、それとも劣化剤としての役割を果たすかを評価すること。
• 露出後の表面化学的変化をXPS、構造的変化をXRDを用いて特定すること。

提案手法

• 一貫した化学 stoichiometry と高い結晶性を有するCH3NH3PbI3薄膜を実現するため、共蒸着法を用いて薄膜を調製した。
• 露出後の表面における元素組成の変化をモニタリングするために、X線光電子分光法（XPS）を用いた。
• 劣化中の構造的変化および相の進化を評価するために、X線回折（XRD）を用いた。
• 酸素、ドライエア、水蒸気への制御された露出は、校正済みガスドーザー・システムを用いて実施され、露出レベルはラングミュア単位（1 L = 10^-6 托・秒）で定量化された。
• 表面化学および結晶構造を露出前後で比較することで、劣化閾値を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CH3NH3PbI3は酸素露出に対して感受性を示し、表面に酸化物を形成するか、化学的に分解するか？
• RQ2 ドライエアまたは水蒸気の露出レベルが、CH3NH3PbI3薄膜の不可逆的劣化を引き起こす臨界閾値は何か？
• RQ3 低露出レベルで水がドーパントとして機能するか？ もし機能するならば、そのドーピング効果の性質は何か？
• RQ4 長時間にわたる環境条件への露出後のCH3NH3PbI3における化学的および構造的変化は何か？
• RQ5 顕著な水蒸気露出後の表面に形成される最終的な分解生成物は何か？

主な発見

• 酸素に10^13 Lの露出後、CH3NH3PbI3薄膜に酸素の吸着は検出されず、O2と反応しないことが示された。
• ドライエアへの露出においても、高い露出レベルまで顕著な劣化は観察されず、O2またはN2と反応しないことが示唆された。
• 水蒸気の臨界露出閾値が約2×10^10 Lであることが特定され、この閾値未満では劣化はなく、水はn型ドーピング剤として機能した。
• 2×10^10 Lの閾値を超えると、急速な窒素およびヨウ素の損失が観察され、ペロブスカイト構造の化学的分解を示した。
• 表面はPbI2、アモルファス炭素、酸素不純物の混合物に変化し、ペロブスカイト相の完全な劣化を示した。
• XPSおよびXRDの結果から、分解は不可逆的であり、安定な非ペロブスカイト相の生成を伴うことが確認された。