Water-Accelerated Photo-oxidation of CH3NH3PbI3 Perovskite: Mechanism, rate orders, and rate constants
Notice bibliographique
Résumé
Understanding the chemical reactions that hybrid organic-inorganic halide perovskite (HP) semiconductors undergo in the presence of moisture, oxygen, and light are essential to the commercial development of HP solar cells and optoelectronics. Here we use optical absorbance to study the kinetics of methylammonium lead iodide (MAPbI3) degradation in response to combinations of moisture, oxygen, and illumination over a range of temperatures. We identify two primary reaction pathways that dominate MAPbI3 material degradation in these mixed environmental conditions: (1) dry photooxidation (DPO) due to the combined role of oxygen and photoexcited electrons (with a rate of 2 x 10-9 mol/m2∙s in dry air at 25 C and an effective activation energy of 0.62 eV), and (2) a water-accelerated photooxidation (WPO) process due to the combined role of water, oxygen, and photoexcited electrons (with a rate of 1 x 10-7 mol/m2s in 50% RH air at 25 C and observed effective activation energy of 0.07 eV). Commonly reported humidity-only, blue light, and thermal degradation pathways are demonstrated to have rates that are respectively 100, 1000, and >1000 times slower than predominant photooxidation processes in ambient conditions. Extracting kinetic rate constants from the dynamics of the initial degradation, we calculate that in dry air, photooxidation rate of MAPbI3 follows a f(x)∝x/(1+Kx) relationship with respect to oxygen in the vapor phase (PO2) and excess concentration of photoexcited electrons (n). In humid air, photooxidation of MAPbI3 exhibits first order kinetics with respect to the partial pressure of water in the vapor phase (PH2O). However, with respect to PO2 and n, kinetics follow a f(x)∝x/(1+kx)^2 relationship with respect to rate. We then identify a plausible reaction mechanism for degradation of MAPbI3 material that is consistent with these rate functionalities. The rate determining step for both DPO and WPO is proton abstraction by photogenerated superoxide radicals. However, proton donation by adsorbed water proceeds much more rapidly than donation by methylammonium, resulting in faster degradation rates for WPO at typical ambient conditions (~50% RH). Rate laws derived from this mechanism were fit to the entire dataset to extract rate constants for DPO and WPO processes. Accurate predictions of material degradation rates, with narrow confidence intervals of fit parameters as identified by the Bootstrap algorithm, provide the first experimental estimates of the equilibrium constants of oxygen adsorption on MAPbI3 (Keq ≈ 3 x 10-3 kPa-1) and superoxide generation from adsorbed oxygen and photoexcited electrons in MAPbI3 (Keq ≈ 5 x 10-15 (photons/m2∙s)-0.7). Given that water has been reported as a degradation product of DPO, the results reported here highlight the need for the development of encapsulation schemes that rigorously block oxygen, as over longer time periods, product water (if generated) may accumulate inside the packaging and initiate the much faster WPO process.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».