Structures and Physical Properties of 2D Tin Iodide Perovskites

Abstract

Organic-inorganic lead halide perovskites with three-dimensional (3D) structure such as CH3NH3PbI3 (MAPbI3) has shown good power conversion efficiency (PCE) over 22%. They received very high attention. Their high-efficiency attributes to direct band gap, large absorption coefficient, and high carrier mobilities. But they still face two major challenges. The first is toxicity of lead and the second is insufficient long-term stability. One solution to the toxicity problem has been suggested to replace Pb with Sn or Ge. To solve the stability problem, layered 2D perovskites have been proposed. Two-dimensional layered tin perovskite halides with organic cations between perovskite layers are highly promising candidates for high-performance. In the case of 3D halide perovskite structure, it can only be filled by small cations between inorganic octahedral frameworks. However, in 2D layered structure, size of cations is not limited. There have been many 2D layered perovskite with organic, inorganic spacers. Therefore 2D perovskite semiconductors offer a variety of structural versatility and fine-tuning of the optoelectronic properties. In this work, we report DJ-typed new hybrid 2D Sn perovskite halides, (4AMP)(MA)n-1SnnI3n+1 (4AMP=4-(aminomethyl)piperidinium, MA=methylammonium) discovered during investigating non-toxic perovskite halides. We studied crystal structures and physical properties of (4AMP)SnI4, (4AMP)(MA)2Sn3I10, (4AMP)Sn3I8, and (MA)2Sn3I8. In (4AMP)(MA)2Sn3I10, three-layer-thick perovskite halide layers stacked on top of one another, where small MA cations are filled the cavities of corner sharing Sn halide octahedral 3D framework, and large 4AMP cations locate between three-layer-thick layers as spacers. And in the case of (4AMP)Sn3I8, and (MA)2Sn3I8, they have a unique layer of truncated perovskite layers consisted of [SnI5/2]-1 in addition to [SnI3]- octahedra layer. These compounds absorb all visible light ranges, and the bandgap has been reduced from 1.9 eV to 1.41 eV as the layer increases from one to three layers.;CH3NH3PbI3 (MAPbI3)와 같은 3차원 구조 (3D)를 갖는 유기 무기 할라이드 페로브스카이트 재료는 22 % 이상의 우수한 전력 변환 효율 (PCE)을 나타내었습니다. 이는 적정한 밴드 갭, 높은 흡수 계수 및 캐리어 이동성의 특징 때문에 고효율을 달성했기 때문에 관심을 받았습니다. 그러나 여전히 두 가지 중요한 문제에 직면해있습니다. 첫 번째는 납의 독성이며 두 번째는 공기 중 불안정성입니다. Pb를 Sn 또는 Ge로 대체하는 독성 문제에 대한 한 가지 해결책이 제안되었습니다. 그리고 불안정성 문제를 해결하기 위해 2D의 판상 적층 구조가 제안되었습니다. 2D 층 구조의 장점은 물질의 안정성뿐만 아니라 양이온의 크기와 모양에도 제한이 없어 다양한 양이온을 선택할 수 있고 따라서 다양한 물성을 기대할 수 있다는 것입니다. 따라서 2D 페로브스카이트 반도체는 다양한 구조적 다양성을 가지고 광전자 특성을 조절할 수 있습니다. 본 연구에서는 최근 높은 관심을 끌고 있는 페로브스카이트 할라이드의 난관을 해결하기 위해 새로운 하이브리드 DJ 2D Sn 페로브스카이트 할라이드 물질을 발견하고 그 구조와 물성을 연구했습니다. 그 물질은 (4AMP)SnI4, (4AMP)(MA)2Sn3I10, (4AMP)Sn3I8, (MA)2Sn3I8 (4AMP=4-(aminomethyl)piperidinium, MA=methylammonium)으로 단결정 X-ray 연구를 통해 구조를 규명하였습니다. Sn3I10의 경우, 이 페로브스카이트 할라이드는 3층 두께의 층을 가지고, 작은 MA 양이온이 Sn 할라이드 팔면체 3D 골격을 공유하는 모서리 사이에 위치하고 큰 4AMP 양이온은 3층 두께의 층 사이에 위치합니다. 그리고 Sn3I8의 경우 [SnI3]- octahedra layer 외에 [SnI5/2]-1/2의 독특한 layer를 가집니다. 이 화합물들은 모든 가시광선 영역에 걸쳐 빛을 흡수하며 밴드 갭은 층이 1개에서 3개로 늘어남에 따라 1.9 eV에서 1.41 eV로 감소하였습니다. 본 연구를 통해 더욱 다양한 판상 페로브스카이트 할라이드 물질의 발견이 가능하고 물리적 성질을 조절하여 다양한 optical electronical 분야에 응용이 가능한 물질을 합성하는 것이 가능함을 보여주었습니다.