[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用μ子自旋松弛（μSR）技术直接探测甲基铵铅碘化物（MAPbI₃）中碘离子的扩散行为，该材料是太阳能电池的关键钙钛矿材料。该技术通过植入的μ子与局部磁环境的相互作用来探测碘离子的运动，测得300 K时的扩散系数为1.6 × 10⁻¹⁴ cm²/s，为无外部偏置条件下离子迁移提供了直接证据。

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.

研究动机与目标

• 在无外部电场偏置的条件下，直接探测甲基铵铅碘化物（MAPbI₃）中碘离子的扩散行为。
• 克服钙钛矿研究中常用于全电池结构的间接测量方法的局限性。
• 通过新颖的实验方法，为卤化物钙钛矿中的离子迁移率提供定量洞察。
• 确立μ子自旋松弛作为研究杂化钙钛矿中离子动力学的可行工具。

提出的方法

• 植入的正μ子作为MAPI晶体结构中的局部磁探针。
• 测得的μ子自旋松弛速率反映了局部磁场分布，对移动的碘离子敏感。
• 实验在无光且无外部偏置条件下进行，以隔离本征的离子扩散行为。
• 通过分析时间依赖的μ子自旋松弛谱，提取离子扩散系数。
• 该方法基于以下原理：移动的碘离子在μ子位点处引起局部磁场的动态涨落。
• 数据采用考虑离子运动导致的μ子自旋极化时间演化的模型进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零偏置条件下，甲基铵铅碘化物中碘离子的本征扩散系数是多少？
• RQ2 μ子自旋松弛如何响应钙钛矿晶格中碘离子的运动？
• RQ3 μ子自旋松弛能否探测并量化在传统技术受限的卤化物钙钛矿中的离子扩散？
• RQ4 室温下碘离子在MAPI中的迁移率量级是多少？
• RQ5 本研究中观察到的离子扩散行为与器件层面测量推断的结果相比有何异同？

主要发现

• 本研究报告了在300 K下MAPI中碘离子扩散的直接测量，测得扩散系数为1.6 × 10⁻¹⁴ cm²/s。
• 该值在零偏置、无光条件下测得，排除了电子或电化学效应的贡献。
• 结果证实，即使在无外部电场时，碘离子在MAPI中仍具有迁移能力。
• μ子自旋松弛技术成功探测到离子运动，验证了其作为离子动力学直接探针的有效性。
• 测得的扩散系数与钙钛矿材料中存在显著离子电导率的结论一致。
• 本工作为利用μ子基光谱学研究杂化钙钛矿中的离子输运开辟了新的实验路径。