Crystallization kinetics of organic-inorganic trihalide perovskites and ...

Report 10 Downloads 71 Views
Crystallization kinetics of organic-inorganic trihalide perovskites and the role of the lead anion in crystal growth David T. Moore, Hiroaki Sai, Kwan W. Tan, Detlef‐M. Smilgies, Wei Zhang, Henry J. Snaith, Ulrich  Wiesner, and Lara A. Estroff   

  Figure S1. 1D radial plots of scattering images from the chloride system  integrated over all azimuthal angles. Traces are taken at ~10 min. intervals  and are shown prior to background subtraction to demonstrate the  consistency of the background signal. Black dashed line is the   background signal fit for the trace at t=50 min. superimposed   on top of all traces for comparison.    

S1   

PbI2 

PbCl2 

  S2   

PbAc2 

Pb(NO3)2 

  Figure S2. 1D and 2D scattering data for the precursor and perovskite material for the iodide (a,b),  chloride (c,d), acetate (e,f) and nitrate (g,h) systems. (a,c,e,g) show the integrated plots of the precursor  (top) and perovskite (bottom) along with the calculated peak locations for the tetragonal iodide  perovskite (black stick markers). (b,d,f,h) are the raw 2D plots from which the respective 1D plots were  generated. The iodide and acetate systems were made on TiO2 substrates and the peak locations for the  TiO2 are marked with red “X”s on both the 1D and 2D plots.  S3   

  Figure S3. UV‐Vis absorption for optimally annealed films made from all four lead sources, PbI2 (blue), PbCl2 (black),  PbAc2 (red), and Pb(NO3)2 (green); traces are offset on the y‐axis for clarity, graph is adapted from reference 1. The  data for Pb(NO3)2 was taken on a Cary 5000 UV‐Vis‐NIR spectrometer and was added subsequent to the  publication of ref. 1; the Pb(NO3)2 films were much thinner (optically) and the spectra has been normalized to the  absorbance at 750 nm for easy comparison.     

 

S4   

 

  Figure S4.  TGA plot showing residual solvent prior to the precursor‐to‐perovskite transition for a thin film using  PbCl2 as the lead source. Black line (left axis) is the relative mass of the film only (TGA was tared with the  substrate), red line (right axis) is the temperature. The point at which the transition of precursor to perovskite  begins is approximately 130 minutes and is marked with a vertical, dotted line. To account for solvent loss during  the transfer into the TGA, 10 films were spincast and immediately weighed, the average mass was used as the  starting mass for the TGA samples. The salt only weight is the total mass of the PbCl2 and MAI (horizontal dashed  line at 0.45 Rel. Mass) and is calculated by assuming the difference between the starting mass, and the first mass  reported by the TGA, is due to solvent loss only, and the salt concentration calculated accordingly. The difference  between the solid black line (TGA trace) and the dotted horizontal line is taken to be residual solvent that remains  in the film. 

Calculation of pathway process bars used to create Figure 6 in the main text.

 

 

Time [au]  

  S5 

 

 

 

Evap  Solvent  

From TGA we know how long it takes DMF to evaporate, we know DMF isn’t  in the lattice so we set the start of this to t=0 and the length of time to the  value derived from TGA data; we assume the lead salt doesn’t change the  evaporation rate of the solvent.  

 

Diffuse  (MA)Sp  

This process is the removal of the spectator from the precursor and is the  precursor‐to‐perovskite transition. Both the lag time and the total time for  this process are calculated from the WAXS data and the kinetic parameters.  

 

Sublime  (MA)Sp  

This is the removal of the “amorphous” spectator salt from the film (not the  lattice), and has recently been confirmed to occur by sublimation.2 The start  time is set based on the assumption that sublimation begins as soon as there  is amorphous (MA)Sp to be removed, so it lags the diffusion by a short time in  all cases. This process can’t end until the diffusion is complete. Once diffusion  is complete, in all cases we have a perovskite film with some (MA)Sp laying  around, so we set the time between completion of diffusion and the end of  sublimation based on the volatility of (MA)Sp. The volatility of (MA)I, (MA)Cl,  and (MA)Ac was measured by TGA and reported in reference 1, Figure 3, the  relative position of (MA)NO3 is taken by comparison of the melting  temperatures of (MA)NO3 and (MA)Ac which are 110 °C and 80 °C,  respectively.   

 

Diffuse  (MA)I 

This is the removal of (MA)I from the perovskite leading to the decomposition.  The case of all iodide is easiest to consider as (MA)Sp=(MA)I; therefore, we  assume that the diffusion of (MA)I from the lattice (precursor or perovskite) is  continuous. The delineation between the desirable process and the  decomposition is just a matter of counting the number of (MA)I units  removed from the lattice; thus, the start of decomposition coincides with the  end of the Diffuse (MA)Sp step.   The case of non‐iodide (MA)Sp is the most difficult to assess. For chloride it is  based on experimental observation. For acetate and nitrate, the timing of the  first three processes suggests that all three are complete before  decomposition begins. Therefore we select a lag time for the start of  decomposition at 100 °C and set it the same for both systems.  Note: the length of this bar on the chart is random, it continues until only PbI2  is left.  

Growth 

Time available for perovskite grain growth, which begins when the  transformation begins and ends when the (MA)Sp is completely removed  from the lattice OR when the solvent is removed, whichever comes first. i.e.  growth only occurs while both precursor and solvent still exist.  

Coarsen 

Time available for coarsening. This begins when (MA)Sp is done diffusing from  the lattice and ends when decomposition begins.  

 

     

 

S6   

References 1. Zhang, W.; Saliba, M.; Moore, D.T.; Pathak, S.K.; Hörantner, M.T.; Stergiopoulos, T.; Stranks, S.;  Eperon, G.E.; Webber, J.A.; Abate, A.; Sadhanala, A.; Yao, S.; Chen, Y.; Friend, R.H.; Estroff, L.A.;  Wiesner, U.; Snaith, H.J.  Ultra‐smooth organic‐inorganic perovskite thin‐film formation and  crystallization for efficient planar heterojunction solar cells. Nat. Commun. 2014. doi:  10.1038/ncomms7142  2. Unger, E. L.; Bowring, A. R.; Tassone, C. J.; Pool, V.; Gold‐Parker, A.; Cheacharoen, R.; Stone, K.  H.; Hoke, E. T.; Toney, M. F.; McGehee, M. D. Chem. Mater. 2014, doi: 10.1021/cm503828b 

S7