Jaký vliv mají organické aminy na vývoj 2D perovskitů?

RP typ perovskitů představuje jednu z nejběžněji studovaných struktur v oblasti 2D perovskitů. Tento typ obsahuje dvě vrstvy monovalentních organických kationtů mezi anorganickými vrstvami, přičemž slabé van der Waalsovy síly mezi organickými vrstvami je spojují. Tato slabá interakce umožňuje větší flexibilitu a volnost akumulace anorganických vrstev perovskitu RP typu. Vzhledem k vývoji a návrhu organických ligandů se RP typ perovskitů stále více diverzifikuje a stává se základem pro přípravu vysoce výkonných 2D perovskitových materiálů. V současnosti jsou RP perovskity schopné dosahovat nejvyšší účinnosti konverze energie (PCE) mezi 2D perovskity.

Pro optimalizaci vlastností 2D perovskitů je důležité porozumět tomu, jak různé struktury organických aminů ovlivňují jejich chování. Faktory jako délka uhlíkových řetězců, přítomnost krátkých postranních větví, konjugované struktury a heteroatomy mají zásadní vliv na stabilitu, optické vlastnosti a tvorbu tenkých vrstev. Mezi hlavními zkoumanými alkylaminy je například propylamin (PA), který je nejkratší a pro tvorbu 2D struktury nezbytný. Avšak s rostoucí délkou řetězce organického aminu se změny v optických vlastnostech a energetickém pásu stávají minimálními, přičemž větší význam má vliv na stabilitu a schopnost vytvářet film.

Délka uhlíkového řetězce organických aminů má zásadní vliv na distorzi anorganických vrstev, což následně ovlivňuje úhel vazby Pb-I-Pb. Tento úhel je klíčovým faktorem pro stanovení energetického pásu perovskitu. Při větších hodnotách n (počet vrstev) se vliv organických aminů na optické vlastnosti perovskitu snižuje, zatímco stále silněji ovlivňuje stabilitu a filmovou strukturu. V praxi to znamená, že delší řetězce organických aminů zvyšují pružnost materiálu, což je výhodné pro flexibilní zařízení.

Nicméně, prodloužení řetězce organického aminu nevede vždy ke zlepšení stability filmů. Například perovskitové filmy založené na amylaminu (AA) vykazují vyšší stabilitu než filmy na bázi butylaminu (BA) nebo hexylaminu (HA), což naznačuje, že další faktory kromě délky řetězce mohou hrát roli v dlouhodobé stabilitě perovskitových materiálů.

Při vývoji perovskitových filmů je také důležité vzít v úvahu van der Waalsovy síly mezi molekulami. Tyto síly mají vliv na krystalizaci a růst perovskitových vrstev, což ovlivňuje jak vertikální distribuci fáze, tak i jejich strukturu. Správné nastavení těchto interakcí je zásadní pro optimalizaci výkonnosti solárních článků, protože příliš silné interakce mohou vést k nežádoucímu a příliš rychlému růstu, zatímco slabé interakce mohou zpomalit krystalizaci a zhoršit výkonnost.

Jak velikost a vlhkost ovlivňují fázové přechody a stabilitu perovskitových materiálů

Studie systematicky zkoumají velikostně závislý ortorombicko-tetragonální fázový přechod pomocí kombinace teplotně závislých optických měření, elektrického transportu a transmisní elektronové mikroskopie. Bylo zjištěno, že fyzická velikost materiálu představuje významný faktor, který ovlivňuje body fázových přechodů, kromě samotného složení. U hybridních halogenidových perovskitů se proto intenzivně pracuje na úpravě složení s cílem optimalizovat absorpční spektrum, vlastnosti přenosu náboje, morfologii i stabilitu krystalové struktury.

Komplexní studie optických a elektronických vlastností i fotovoltaického výkonu perovskitových solárních článků (PSC) ukázaly významné rozdíly v závislosti na složení, například u směsí FAxMA1-xPbI3 či FA4xMA1-xPbI9 3-yBry. U oblíbených trojcíkových složek (Cs, FA, MA) bylo identifikováno složení, které zajišťuje nejlepší výkon, a zároveň se potvrdilo, že kombinace různých kationtů vede ke zvýšení stability nejen při skladování, ale také během dlouhodobého osvitu či tepelného namáhání. Například zařízení založená na FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3 vykazovala stabilní výkon bez nutnosti hermetického uzavření i po více než 600 hodinách kontinuálního osvitu.

Dále se ukázalo, že částečná náhrada methylen diammonium dichloridu (MDACl2) hexamethylenetetraminou (HMTA) významně zlepšuje stabilitu fáze FAPbI3-M. Spektroskopické metody NMR odhalily přítomnost nových organických kationtů, jako je THTZ-H⁺, který vzniká tepelně řízenou degradací MDACl2. Tyto nové složky nejsou izolovanou sekundární fází, ale vytvářejí smíšenou fázi spolu s FA⁺, což má zásadní dopad na vlastnosti materiálu. Podrobné NMR a NQR studie poskytly hluboký vhled do molekulárních interakcí a složení těchto perovskitových krystalů.

Klíčovým aspektem pro tvorbu kvalitních perovskitových tenkých vrstev je řízení vlhkostních podmínek během procesu výroby. Předběžné vystavení filmu vzduchu s určitou vlhkostí před tepelným žíháním významně ovlivňuje disociaci mezifáze a její přeměnu na perovskit