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有機鉛ハロゲン化物ペロブスカイトの単一粒子発光に関する研究

狩俣, 出 カリマタ, イズル 神戸大学

2020.03.25

概要

有機鉛ハロゲン化物ペロブスカイト(以下、ペロプスカイト)は、太陽電池や発光材料への応用が期待されており、応用的研究は発展している一方で、デバイスの動作原理の理解に 必要な基礎的物性の詳細は明らかではない。本博士学位論文は、ペロブスカイトの基礎的 物性、特に電荷キャリアダイナミクスおよびイオンダイナミクスを明らかにするために、 単一粒子発光観測を行い、得られた研究結果をまとめた。ペロブスカイトの物性は結晶サ イズに依存することから、研究対象とした基礎的物性およびペロブスカイトのサンプル形 状の違いによって研究内容を区切り、各車ごとにまとめた。以下に各章ごとの内容を記す。

第1章
研究の緒言をまとめた。研究対象としたペロプスカイトに関するこれまでの歴史的背景や研究動向、明らかになっていることを記した。特に、ペロブスカイトの物性について詳述した。また、これまでのぺロブスカイトの研究背景を踏まえ、博士学位論文の研究目的を記した。

第2章
ペロブスカイトのナノ粒子における電荷キャリアダイナミクスを対象に研究をまとめた。ペロブスカイトが太陽電池や発光材料への応用が期待されている背景には、ペロブスカイ 卜が示す優れた光学特性が挙げられる。電荷キャリアダイナミクスはペロブスカイトの光 学特性を決定づける重要な要因であることから、電荷キャリアの基礎的理解(電荷キャリアの生成、失活)を得るための研究を行った。単一粒子発光観測によって、電荷キャリア生成の粒子サイズ依存性、電荷キャリアの失活における表面欠陥サイトの影響を明らかにした。また、従来の測定法では平均化によって捉えることができない、単一の電荷トラップサイ卜による発光の消光を明らかにし、単一粒子観測の意義を示した。

第3章
ペロブスカイトのマイクロサイズ結晶のイオン・電荷キャリアダイナミクスを対象に研究をまとめた。ペロブスカイトは室温でハロゲン交換反応を起こすことが知られており、交換反応によってハロゲン組成を混合することで、バンドギャップを可視光領域内で幅広く変えることができる。しかしながら、イオンの交換・拡散現象が電荷キャリアダイナミクスに与える影響は明らかではない。本章では、ペロブスカイト単結晶におけるハロゲン交換反応をその場観測することで、イオンが交換・拡散する瞬間の電荷キャリアダイナミクスを調べた結果をまとめた。結晶表面におけるイオン拡散がハロゲン空孔を介していることを突き止め、イオン拡散によって生じる過渡種での電荷移動ダイナミクスを明らかにした。また、単一粒子発光のその場観測の手法が、ペロブスカイトにおけるイオン・電荷キャリアダイナミクスを捉える最良の手法であることを示した。

第4章
ハロゲン交換反応によって形成されたペロブスカイト結晶のヘテロ構造における電荷キ ャリアダイナミクスを対象に研究をまとめた。第3章において、イオン拡散と連動した電荷キャリアダイナミクスを明らかにしたが、結晶表面におけるナノ メ ートルスケールのドメイン構造が結晶全体に与える影響は明らかではない。本章では、空間分解発光寿命測定を行い、ヘテロ構造における電荷移動ダイナミクスを調べた結果をまとめた。ヘテロ構造における電荷移動ダイナミクスは、ヘテロ界面に存在するトラップ電荷に大きく依存し、ナノ秒から数十ナノ秒のタイムスケールの電荷移動が起こることを明らかにした。

第5章
ペロブスカイトのナノ粒子におけるイオン・電荷キャリアダイナミクスを対象に研究をまとめた。イオン交換反応は、バンドギャップが異なる半導体が接合している、ヘテロ構造を作りだすことができる。ヘテロ構造を持つナノ粒子は、電荷キャリアを空間的に局在・非局在化させることができ、単一構造では達成できないキャリア特性の発現によって、高効率な光触媒や太陽電池を実現することができる。交換反応を用いたペロブスカイトの機能化を実現させるためには、交換反応を精密に制御する必要がある。しかしながら、交換反応に関する基礎的理解は十分ではなく、特にイオンの交換、拡散によって発現する電荷キャリアダイナミクスについては明らかではない。第3 章では、バルク結晶表面で過渡的に生成した異種ハロゲン体ドメインに電荷が高効率で捕集されることを明らかにした。また、第4 章では、バルク結晶のヘテロ構造において、数十ナノ秒スケールの電荷移動ダイナミクスが発現することを明らかにした。しかしながら、これらはいずれもマイクロメートルサイズのバルク結晶を対象にした結果であり、交換反応によって光機能化が期待できるナノ粒子については明らかではなく、ナノ空間内で発現する電荷キャリアダイナミクスについて基礎的に理解する必要がある。第2 章で示したように、ナノ空間内に閉じ込められた電荷キャリアは、表面の局所構造( トラップサイト) に大きく依存することから、ナノ粒子における交換反応では、反応によって生じる構造変化(結晶性、トラップサイト、化学組成) に依存した電荷キャリアダイナミクスの発現が予想される。本章では、交換反応によって生じるナノ粒子の構造変化とキャリアダイナミクスを対応させることで、機能化に必要な構造と光機能の関係性を調べた結果をまとめた。

第6章
本博士学位論文の総括を記した。

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参考文献

(1) Burger, S.; Ehrenreich, M. G.; Kieslich, G. Tolerance Factors of Hybrid Organic– Inorganic Perovskites: Recent Improvements and Current State of Research. J. Mater. Chem. A 2018, 6 (44), 21785–21793.

(2) Maughan, A. E.; Ganose, A. M.; Almaker, M. A.; Scanlon, D. O.; Neilson, J. R. Tolerance Factor and Cooperative Tilting Effects in Vacancy-Ordered Double Perovskite Halides. Chem. Mater. 2018, 30 (11), 3909–3919.

(3) Li, C.; Lu, X.; Ding, W.; Feng, L.; Gao, Y.; Guo, Z. Formability of ABX3 (X = F, Cl, Br, I) Halide Perovskites. Acta Crystallogr. Sect. B 2008, 64 (6), 702–707.

(4) Travis, W.; Glover, E. N. K.; Bronstein, H.; Scanlon, D. O.; Palgrave, R. G. On the Application of the Tolerance Factor to Inorganic and Hybrid Halide Perovskites: A Revised System. Chem. Sci. 2016, 7 (7), 4548–4556.

(5) Huang, H.; Bodnarchuk, M. I.; Kershaw, S. V; Kovalenko, M. V; Rogach, A. L. Lead Halide Perovskite Nanocrystals in the Research Spotlight: Stability and Defect Tolerance. ACS Energy Lett. 2017, 2 (9), 2071–2083.

(6) Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (17), 6050–6051.

(7) Kim, H. S.; Lee, C. R.; Im, J. H.; Lee, K. B.; Moehl, T.; Marchioro, A.; Moon, S. J.; Humphry-Baker, R.; Yum, J. H.; Moser, J. E.; et al. Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%. Sci. Rep. 2012, 2, 1–7.

(8) Snaith, H. J. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4 (21), 3623–3630.

(9) Green, M. A.; Ho-Baillie, A.; Snaith, H. J. The Emergence of Perovskite Solar Cells. Nat. Photonics 2014, 8 (7), 506–514.

(10) National Center for Photovoltaics at the National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html.

(11) Nie, W.; Tsai, H.; Asadpour, R.; Blancon, J.-C.; Neukirch, A. J.; Gupta, G.; Crochet, J. J.; Chhowalla, M.; Tretiak, S.; Alam, M. A.; et al. High-Efficiency Solution-Processed Perovskite Solar Cells with Millimeter-Scale Grains. Science 2015, 347 (6221), 522–525.

(12) Jeon, N. J.; Noh, J. H.; Kim, Y. C.; Yang, W. S.; Ryu, S.; Seok, S. Il. Solvent Engineering for High-Performance Inorganic–Organic Hybrid Perovskite Solar Cells. Nat. Mater. 2014, 13 (9), 897–903.

(13) Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S.-J.; Humphry-Baker, R.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Grätzel, M. Sequential Deposition as a Route to High-Performance Perovskite-Sensitized Solar Cells. Nature 2013, 499 (7458), 316–319.

(14) Parvazian, E.; Abdollah-zadeh, A.; Dehghani, M.; Taghavinia, N. Photovoltaic Performance Improvement in Vacuum-Assisted Meniscus Printed Triple-Cation Mixed- Halide Perovskite Films by Surfactant Engineering. ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2 (9), 6209–6217.

(15) Zhao, Y.; Zhu, K. Organic-Inorganic Hybrid Lead Halide Perovskites for Optoelectronic and Electronic Applications. Chem. Soc. Rev. 2016, 45 (3), 655–689.

(16) Park, N.-G. Perovskite Solar Cells: An Emerging Photovoltaic Technology. Mater. Today (Oxford, United Kingdom) 2015, 18 (2), 65–72.

(17) Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Efficient Hybrid Solar Cells Based on Meso-Superstructured Organometal Halide Perovskites. Science 2012, 338 (6107), 643–647.

(18) Stranks, S. D.; Eperon, G. E.; Grancini, G.; Menelaou, C.; Alcocer, M. J. P.; Leijtens, T.; Herz, L. M.; Petrozza, A.; Snaith, H. J. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science 2013, 342 (6156), 341–344.

(19) Zhang, F.; Zhong, H.; Chen, C.; Wu, X.; Hu, X.; Huang, H.; Han, J.; Zou, B.; Dong, Y. Brightly Luminescent and Color-Tunable Colloidal CH3NH3PbX3 (X = Br, I, Cl) Quantum Dots: Potential Alternatives for Display Technology. ACS Nano 2015, 9 (4), 4533–4542.

(20) Schulz, P.; Edri, E.; Kirmayer, S.; Hodes, G.; Cahen, D.; Kahn, A. Interface Energetics in Organo-Metal Halide Perovskite-Based Photovoltaic Cells. Energy Environ. Sci. 2014, 7 (4), 1377–1381.

(21) Li, C.; Wei, J.; Sato, M.; Koike, H.; Xie, Z.-Z.; Li, Y.-Q.; Kanai, K.; Kera, S.; Ueno, N.; Tang, J.-X. Halide-Substituted Electronic Properties of Organometal Halide Perovskite Films: Direct and Inverse Photoemission Studies. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8 (18), 11526–11531.

(22) Myung Jang, D.; Park, K.; Hwan Kim, D.; Park, J.; Shojaei, F.; Seok Kang, H.; Ahn, J.- P.; Woon Lee, J.; Kyu Song, J. Reversible Halide Exchange Reaction of Organometal Trihalide Perovskite Colloidal Nanocrystals for Full-Range Band Gap Tuning. Nano Lett. 2015, 15 (8), 5191–5199.

(23) Aldakov, D.; Reiss, P. Safer-by-Design Fluorescent Nanocrystals: Metal Halide Perovskites vs Semiconductor Quantum Dots. J. Phys. Chem. C 2019, 123 (20), 12527–12541.

(24) McMeekin, D. P.; Sadoughi, G.; Rehman, W.; Eperon, G. E.; Saliba, M.; Hörantner, M. T.; Haghighirad, A.; Sakai, N.; Korte, L.; Rech, B.; et al. A Mixed-Cation Lead Mixed- Halide Perovskite Absorber for Tandem Solar Cells. Science 2016, 351 (6269), 151–155.

(25) Duong, T.; Mulmudi, H. K.; Wu, Y.; Fu, X.; Shen, H.; Peng, J.; Wu, N.; Nguyen, H. T.; Macdonald, D.; Lockrey, M.; et al. Light and Electrically Induced Phase Segregation and Its Impact on the Stability of Quadruple Cation High Bandgap Perovskite Solar Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (32), 26859–26866.

(26) Hong Noh, J.; Hyuk Im, S.; Hyuck Heo, J.; N. Mandal, T.; Il Seok, S. Chemical Management for Colorful, Efficient, and Stable Inorganic–Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells. Nano Lett. 2013, 13 (4), 1764–1769.

(27) Deschler, F.; Price, M.; Pathak, S.; E. Klintberg, L.; Jarausch, D.-D.; Higler, R.; Hüttner, S.; Leijtens, T.; D. Stranks, S.; J. Snaith, H.; et al. High Photoluminescence Efficiency and Optically Pumped Lasing in Solution-Processed Mixed Halide Perovskite Semiconductors. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5 (8), 1421–1426.

(28) Tan, Z. K.; Moghaddam, R. S.; Lai, M. L.; Docampo, P.; Higler, R.; Deschler, F.; Price, M.; Sadhanala, A.; Pazos, L. M.; Credgington, D.; et al. Bright Light-Emitting Diodes Based on Organometal Halide Perovskite. Nat. Nanotechnol. 2014, 9 (9), 687–692.

(29) Zhu, H.; Fu, Y.; Meng, F.; Wu, X.; Gong, Z.; Ding, Q.; Gustafsson, M. V.; Trinh, M. T.; Jin, S.; Zhu, X. Y. Lead Halide Perovskite Nanowire Lasers with Low Lasing Thresholds and High Quality Factors. Nat. Mater. 2015, 14 (6), 636–642.

(30) Gong, X.; Voznyy, O.; Jain, A.; Liu, W.; Sabatini, R.; Piontkowski, Z.; Walters, G.; Bappi, G.; Nokhrin, S.; Bushuyev, O. Electron–Phonon Interaction in Efficient Perovskite Blue Emitters. Nat. Mater. 2018, 17 (6), 550–556.

(31) Xing, G.; Mathews, N.; Sun, S.; Lim, S. S.; Lam, Y. M.; Grätzel, M.; Mhaisalkar, S.; Sum, T. C. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic- Inorganic CH3NH3PbI3. Science 2013, 342 (6156), 344–347.

(32) S. Ponseca, C.; J. Savenije, T.; Abdellah, M.; Zheng, K.; Yartsev, A.; Pascher, T.; Harlang, T.; Chabera, P.; Pullerits, T.; Stepanov, A.; et al. Organometal Halide Perovskite Solar Cell Materials Rationalized: Ultrafast Charge Generation, High and Microsecond-Long Balanced Mobilities, and Slow Recombination. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (14), 5189–5192.

(33) Yamada, Y.; Nakamura, T.; Endo, M.; Wakamiya, A.; Kanemitsu, Y. Photocarrier Recombination Dynamics in Perovskite CH3NH3PbI3 for Solar Cell Applications. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (33), 11610–11613.

(34) Shi, D.; Adinolfi, V.; Comin, R.; Yuan, M.; Alarousu, E.; Buin, A.; Chen, Y.; Hoogland, S.; Rothenberger, A.; Katsiev, K.; et al. Low Trap-State Density and Long Carrier Diffusion in Organolead Trihalide Perovskite Single Crystals. Science 2015, 347 (6221), 519–522.

(35) Doane, T. L.; Ryan, K. L.; Pathade, L.; Cruz, K. J.; Zang, H.; Cotlet, M.; Maye, M. M. Using Perovskite Nanoparticles as Halide Reservoirs in Catalysis and as Spectrochemical Probes of Ions in Solution. ACS Nano 2016, 10 (6), 5864–5872.

(36) Zhang, D.; Yang, Y.; Bekenstein, Y.; Yu, Y.; Gibson, N. A.; Wong, A. B.; Eaton, S. W.; Kornienko, N.; Kong, Q.; Lai, M.; et al. Synthesis of Composition Tunable and Highly Luminescent Cesium Lead Halide Nanowires through Anion-Exchange Reactions. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 (23), 7236–7239.

(37) Pellet, N.; Teuscher, J.; Maier, J.; Grätzel, M. Transforming Hybrid Organic Inorganic Perovskites by Rapid Halide Exchange. Chem. Mater. 2015, 27 (6), 2181–2188.

(38) Nayak, P. K.; Moore, D. T.; Wenger, B.; Nayak, S.; Haghighirad, A. A.; Fineberg, A.; Noel, N. K.; Reid, O. G.; Rumbles, G.; Kukura, P.; et al. Mechanism for Rapid Growth of Organic-Inorganic Halide Perovskite Crystals. Nat. Commun. 2016, 7, 13303.

(39) Ghosh, S.; Manna, L. The Many “Facets” of Halide Ions in the Chemistry of Colloidal Inorganic Nanocrystals. Chem. Rev. 2018, 118 (16), 7804–7864.

(40) De Trizio, L.; Manna, L. Forging Colloidal Nanostructures via Cation Exchange Reactions. Chem. Rev. 2016, 116 (18), 10852–10887.

(41) Dong, H. S.; Hughes, S. M.; Yin, Y.; Alivisatos, A. P. Cation Exchange Reactions in Ionic Nanocrystals. Science 2004, 306 (5698), 1009–1012.

(42) Jain, P. K.; Amirav, L.; Aloni, S.; Alivisatos, A. P. Nanoheterostructure Cation Exchange: Anionic Framework Conservation. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132 (29), 9997–9999.

(43) Miszta, K.; Gariano, G.; Brescia, R.; Marras, S.; De Donato, F.; Ghosh, S.; De Trizio, L.; Manna, L. Selective Cation Exchange in the Core Region of Cu2–XSe/Cu2–XS Core/Shell Nanocrystals. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (38), 12195–12198.

(44) Lian, Z.; Sakamoto, M.; Vequizo, J. J. M.; Ranasinghe, C. S. K.; Yamakata, A.; Nagai, T.; Kimoto, K.; Kobayashi, Y.; Tamai, N.; Teranishi, T. Plasmonic P-n Junction for Infrared Light to Chemical Energy Conversion. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 2446– 2450.

(45) Stranks, S. D.; Burlakov, V. M.; Leijtens, T.; Ball, J. M.; Goriely, A.; Snaith, H. J. Recombination Kinetics in Organic-Inorganic Perovskites: Excitons, Free Charge, and Subgap States. Phys. Rev. Appl. 2014, 2 (3), 034007.

(46) Smith, A. M.; Nie, S. Semiconductor Nanocrystals: Structure, Properties, and Band Gap Engineering. Acc. Chem. Res. 2010, 43 (2), 190–200.

(47) Li, W.; Long, R.; Tang, J.; Prezhdo, O. V. Influence of Defects on Excited-State Dynamics in Lead Halide Perovskites: Time-Domain Ab Initio Studies. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10 (13), 3788–3804.

(48) Meggiolaro, D.; Mosconi, E.; De Angelis, F. Formation of Surface Defects Dominates Ion Migration in Lead-Halide Perovskites. ACS Energy Lett. 2019, 4 (3), 779–785.

(49) Park, J.-S.; Calbo, J.; Jung, Y.-K.; Whalley, L. D.; Walsh, A. Accumulation of Deep Traps at Grain Boundaries in Halide Perovskites. ACS Energy Lett. 2019, 4 (6), 1321– 1327.

(50) Zhu, Z.; Shi, Y.; Aruta, C.; Yang, N. Improving Electronic Conductivity and Oxygen Reduction Activity in Sr-Doped Lanthanum Cobaltite Thin Films: Cobalt Valence State and Electronic Band Structure Effects. ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1 (10), 5308–5317.

(51) Porotnikova, N. M.; Antonova, E. P.; Khodimchuk, A. V.; Tropin, E. S.; Farlenkov, A. S.; Ananyev, M. V. Oxygen Diffusion and Surface Exchange Kinetics for the Mixed- Conducting Oxide La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ. Chim. Techno Acta 2018, 5 (4), 196–204.

(52) Uthayakumar, A.; Pandiyan, A.; Krishna Moorthy, S. B. Yttrium Dependent Space Charge Effect on Modulating the Conductivity of Barium Zirconate Electrolyte for Solid Oxide Fuel Cell. Int. J. Hydrogen Energy 2018, 43 (52), 23488–23499.

(53) White, S. L.; Smith, J. G.; Behl, M.; Jain, P. K. Co-Operativity in a Nanocrystalline Solid-State Transition. Nat. Commun. 2013, 4 (1), 2933.

(54) Routzahn, A. L.; Jain, P. K. Single-Nanocrystal Reaction Trajectories Reveal Sharp Cooperative Transitions. Nano Lett. 2014, 14 (2), 987–992.

(55) Routzahn, A. L.; Jain, P. K. Luminescence Blinking of a Reacting Quantum Dot. Nano Lett. 2015, 15 (4), 2504–2509.

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