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Anharmonicity Extends Carrier Lifetimes in Lead Halide Perovskites at Elevated Temperatures
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2019-10-03 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02553 Wei Li 1 , Andrey S. Vasenko 2 , Jianfeng Tang 1 , Oleg V. Prezhdo 3
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2019-10-03 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02553 Wei Li 1 , Andrey S. Vasenko 2 , Jianfeng Tang 1 , Oleg V. Prezhdo 3
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Lead halide perovskites constitute a very promising class of materials for a broad range of solar and optoelectronic applications. Perovskites exhibit many unusual properties, and recent experiments demonstrate an unusual temperature dependence of charge carrier lifetimes. Focusing on the all-inorganic CsPbBr3, and using a combination of ab initio nonadiabatic molecular dynamics and time-domain density functional theory, we demonstrate that the unconventional behavior arises because of a highly anharmonic nature of atomic motions in perovskites. As temperature increases, perovskite structure undergoes a notable deformation, reflected in tilting of octahedral units, and experiences large-scale anharmonic movements away from the equilibrium geometry. As a result, the electronic energy gap increases, and phonon-induced loss of coherence within the electronic subsystem accelerates. These two factors slow down nonradiative electron–hole recombination, which constitutes the main limitation on efficiencies of perovskite solar, optical, and electronic devices. The increase of charge carrier lifetimes with temperature is particularly beneficial in applications, because materials heat up, for instance, from sunlight during solar energy harvesting. The behavior of the all-inorganic halide perovskite investigated here is different from that of hybrid organic–inorganic perovskites, which exhibit additional disorder associated with reorientations of the asymmetric organic cations. The reported simulations generate an in-depth understanding of the unusual properties of inorganic perovskites, relevant for photocatalytic, photovoltaic, electronic, and optical applications.
中文翻译：
在高温下，非谐波性延长了卤化钙钛矿中的载流子寿命。
钙钛矿卤化物构成了非常有前途的一类材料，适用于广泛的太阳能和光电应用。钙钛矿表现出许多不同寻常的性质，最近的实验表明，电荷载流子寿命与温度之间的关系也不同。专注于全无机CsPbBr 3，并结合使用从头开始的非绝热分子动力学和时域密度泛函理论，我们证明了非常规行为的产生是由于钙钛矿中原子运动的高度非调和性质。随着温度的升高，钙钛矿结构发生明显的变形，反映为八面体单位的倾斜，并且经历了远离平衡几何形状的大规模非谐运动。结果，电子能隙增加，并且电子子系统内声子引起的相干性损失加速。这两个因素减慢了非辐射电子-空穴复合，这构成了钙钛矿太阳能，光学和电子设备效率的主要限制。载流子寿命随温度的增加在应用中特别有益，因为材料在太阳能收集过程中会因例如太阳光而变热。此处研究的全无机卤化物钙钛矿的行为不同于杂化有机-无机钙钛矿的行为，后者表现出与不对称有机阳离子的重新取向有关的其他紊乱。报道的模拟深入了解了无机钙钛矿的不寻常特性，这些特性与光催化，光伏，电子和光学应用有关。
更新日期：2019-10-03
中文翻译：
在高温下，非谐波性延长了卤化钙钛矿中的载流子寿命。
钙钛矿卤化物构成了非常有前途的一类材料，适用于广泛的太阳能和光电应用。钙钛矿表现出许多不同寻常的性质，最近的实验表明，电荷载流子寿命与温度之间的关系也不同。专注于全无机CsPbBr 3，并结合使用从头开始的非绝热分子动力学和时域密度泛函理论，我们证明了非常规行为的产生是由于钙钛矿中原子运动的高度非调和性质。随着温度的升高，钙钛矿结构发生明显的变形，反映为八面体单位的倾斜，并且经历了远离平衡几何形状的大规模非谐运动。结果，电子能隙增加，并且电子子系统内声子引起的相干性损失加速。这两个因素减慢了非辐射电子-空穴复合，这构成了钙钛矿太阳能，光学和电子设备效率的主要限制。载流子寿命随温度的增加在应用中特别有益，因为材料在太阳能收集过程中会因例如太阳光而变热。此处研究的全无机卤化物钙钛矿的行为不同于杂化有机-无机钙钛矿的行为，后者表现出与不对称有机阳离子的重新取向有关的其他紊乱。报道的模拟深入了解了无机钙钛矿的不寻常特性，这些特性与光催化，光伏，电子和光学应用有关。
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