journal article·2020-04Open access

First‐Principles Simulation of Carrier Recombination Mechanisms in Halide Perovskites

Xie Zhang, Jimmy‐Xuan Shen, Chris G. Van de Walle

Advanced Energy Materials· Volume 10· Issue 13

Abstract

Abstract In recent years, there have been remarkable developments in halide perovskites, which are used in highly efficient optoelectronic devices and exhibit intriguing materials physics. Detailed knowledge of carrier recombination mechanisms is essential for understanding their excellent performance and to further increase their efficiency. Obtaining such knowledge is challenging however, and different studies have reached divergent conclusions in some cases. This progress report outlines the critical developments in understanding the carrier recombination mechanisms in halide perovskites from a computational perspective. The primary focus is radiative and Auger recombination, since they have not been systematically assessed and discussed before, and a number of important issues have been actively debated. This comprehensive discussion of the carrier recombination mechanisms is aimed at establishing physically justified insights that can form the basis for better materials and devices design.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Perovskite Materials and Applications · Solid-state spectroscopy and crystallography · Optical properties and cooling technologies in crystalline materials

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Materials Department University of California Santa Barbara CA 93106‐5050 USA

Department of Physics University of California Santa Barbara CA 93106‐9530 USA

Funding

U.S. Department of Energy · Office of Science · Basic Energy Sciences

References (100+)

Show source-provided references
1. Mitzi D. B. · J. Solid State Chem. · 1995 · 114 · 15910.1006/jssc.1995.1023 ↗
2. Baikie T. · J. Mater. Chem. A · 2013 · 1 · 562810.1039/c3ta10518k ↗
3. Møller C. K. · Nature · 1957 · 180 · 98110.1038/180981a0 ↗
4. Møller C. K. · Nature · 1958 · 182 · 143610.1038/1821436a0 ↗
5. Kojima A. · J. Am. Chem. Soc. · 2009 · 131 · 605010.1021/ja809598r ↗
6. Kim H.‐S. · Sci. Rep. · 2012 · 2 · 59110.1038/srep00591 ↗
7. Lee M. M. · Science · 2012 · 338 · 64310.1126/science.1228604 ↗
8. Eperon G. E. · Adv. Funct. Mater. · 2014 · 24 · 15110.1002/adfm.201302090 ↗
9. Yang W. S. · Science · 2015 · 348 · 123410.1126/science.aaa9272 ↗
10. Saliba M. · Nat. Energy · 2016 · 1 · 1501710.1038/nenergy.2015.17 ↗
11. Saliba M. · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 198910.1039/C5EE03874J ↗
12. Yang W. S. · Science · 2017 · 356 · 137610.1126/science.aan2301 ↗
13. Kim M. · Joule · 2019
14. Di Giacomo F. · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 300710.1039/C6EE01137C ↗
15. Zhou Y. · Energy Environ. Sci. · 2019 · 12 · 149510.1039/C8EE03559H ↗
16. Lyu M. · Adv. Energy Mater. · 2017 · 7 · 160251210.1002/aenm.201602512 ↗
17. Asghar M. I. · Renewable Sustainable Energy Rev. · 2017 · 77 · 13110.1016/j.rser.2017.04.003 ↗
18. Berhe T. A. · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 32310.1039/C5EE02733K ↗
19. Manser J. S. · Acc. Chem. Res. · 2016 · 49 · 33010.1021/acs.accounts.5b00455 ↗
20. Leijtens T. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 150096310.1002/aenm.201500963 ↗
21. Niu G. · J. Mater. Chem. A · 2015 · 3 · 897010.1039/C4TA04994B ↗
22. Babayigit A. · Nat. Mater. · 2016 · 15 · 24710.1038/nmat4572 ↗
23. Tan Z.‐K. · Nat. Nanotechnol. · 2014 · 9 · 68710.1038/nnano.2014.149 ↗
24. Zhang Q. · Nano Lett. · 2014 · 14 · 599510.1021/nl503057g ↗
25. Luo J. · Science · 2014 · 345 · 159310.1126/science.1258307 ↗
26. Chen B. · Nat. Mater. · 2018 · 17 · 102010.1038/s41563-018-0170-x ↗
27. Chen Q. · Nature · 2018 · 561 · 8810.1038/s41586-018-0451-1 ↗
28. Frost J. M. · Nano Lett. · 2014 · 14 · 258410.1021/nl500390f ↗
29. Kutes Y. · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 333510.1021/jz501697b ↗
30. Liu S. · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 69310.1021/jz502666j ↗
31. Zheng F. · Nano Lett. · 2015 · 15 · 779410.1021/acs.nanolett.5b01854 ↗
32. Zhu X.‐Y. · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 475810.1021/acs.jpclett.5b02462 ↗
33. Hutter E. M. · Nat. Mater. · 2016 · 16 · 11510.1038/nmat4765 ↗
34. Etienne T. · J. Phys. Chem. Lett. · 2016 · 7 · 163810.1021/acs.jpclett.6b00564 ↗
35. Pazos‐Outon L. M. · Science · 2016 · 351 · 143010.1126/science.aaf1168 ↗
36. Chen Y. · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1225310.1038/ncomms12253 ↗
37. Zhu H. · Science · 2016 · 353 · 140910.1126/science.aaf9570 ↗
38. Chen T. · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2017 · 114 · 751910.1073/pnas.1704421114 ↗
39. Fu J. · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 130010.1038/s41467-017-01360-3 ↗
40. Wehrenfennig C. · Adv. Mater. · 2014 · 26 · 158410.1002/adma.201305172 ↗
41. Yang Y. · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 468810.1021/acs.jpclett.5b02290 ↗
42. Milot R. L. · Adv. Funct. Mater. · 2015 · 25 · 621810.1002/adfm.201502340 ↗
43. Richter J. M. · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1394110.1038/ncomms13941 ↗
44. Herz L. M. · Annu. Rev. Phys. Chem. · 2016 · 67 · 6510.1146/annurev-physchem-040215-112222 ↗
45. Wehrenfennig C. · Energy Environ. Sci. · 2014 · 7 · 226910.1039/C4EE01358A ↗
46. Crothers T. W. · Nano Lett. · 2017 · 17 · 578210.1021/acs.nanolett.7b02834 ↗
47. Piprek J. · Phys. Status Solidi A · 2010 · 207 · 221710.1002/pssa.201026149 ↗
48. Picozzi S. · Phys. Rev. Lett. · 2002 · 89 · 19760110.1103/PhysRevLett.89.197601 ↗
49. Shi L. · Phys. Rev. Lett. · 2012 · 109 · 24550110.1103/PhysRevLett.109.245501 ↗
50. Alkauskas A. · Phys. Rev. B · 2014 · 90 · 07520210.1103/PhysRevB.90.075202 ↗
51. Kioupakis E. · New J. Phys. · 2013 · 15 · 12500610.1088/1367-2630/15/12/125006 ↗
52. Kioupakis E. · Phys. Rev. B · 2015 · 92 · 03520710.1103/PhysRevB.92.035207 ↗
53. Long R. · J. Am. Chem. Soc. · 2016 · 138 · 388410.1021/jacs.6b00645 ↗
54. Li J. · Phys. Rev. B · 2017 · 96 · 10410310.1103/PhysRevB.96.104103 ↗
55. Zhang X. · J. Phys. Chem. Lett. · 2018 · 9 · 290310.1021/acs.jpclett.8b01004 ↗
56. Zhang X. · ACS Energy Lett. · 2018 · 3 · 232910.1021/acsenergylett.8b01297 ↗
57. Shen J.‐X. · Adv. Energy Mater. · 2018 · 8 · 180102710.1002/aenm.201801027 ↗
58. Richter J. M. · Adv. Mater. · 2018 · 180337910.1002/adma.201803379 ↗
59. Davies C. L. · Nat. Commun. · 2018 · 9 · 29310.1038/s41467-017-02670-2 ↗
60. Huang J. · Nat. Rev. Mater. · 2017 · 2 · 1704210.1038/natrevmats.2017.42 ↗
61. Xiao Z. · Adv. Energy Mater. · 2017 · 7 · 170113610.1002/aenm.201701136 ↗
62. Meggiolaro D. · ACS Energy Lett. · 2018 · 3 · 220610.1021/acsenergylett.8b01212 ↗
63. Landsberg P. T. · 1991
65. Kresse G. · Phys. Rev. B · 1996 · 54 · 1116910.1103/PhysRevB.54.11169 ↗
66. Giannozzi P. · J. Phys. Condens. Matter · 2009 · 21 · 39550210.1088/0953-8984/21/39/395502 ↗
67. Gajdoš M. · Phys. Rev. B · 2006 · 73 · 04511210.1103/PhysRevB.73.045112 ↗
68. Marzari N. · Rev. Mod. Phys. · 2012 · 84 · 141910.1103/RevModPhys.84.1419 ↗
69. Cappellini G. · Phys. Rev. B · 1993 · 47 · 989210.1103/PhysRevB.47.9892 ↗
70. Brenner T. M. · Nat. Rev. Mater. · 2016 · 1 · 1500710.1038/natrevmats.2015.7 ↗
71. Azarhoosh P. · APL Mater. · 2016 · 4 · 09150110.1063/1.4955028 ↗
72. Moser J. · Nat. Mater. · 2016 · 16 · 410.1038/nmat4796 ↗
73. Yamada Y. · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 1161010.1021/ja506624n ↗
74. La‐o‐vorakiat C. · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 790310.1038/ncomms8903 ↗
75. Bi D. · Sci. Adv. · 2016 · 2 · e150117010.1126/sciadv.1501170 ↗
76. Li J. · Phys. Rev. B · 2016 · 93 · 15543210.1103/PhysRevB.93.155432 ↗
77. Li J. · Appl. Phys. Lett. · 2016 · 109 · 19390310.1063/1.4967176 ↗
78. Yu Z.‐G. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2017 · 19 · 1490710.1039/C7CP02568H ↗
79. Kirchartz T. · J. Phys. Chem. Lett. · 2017 · 8 · 126510.1021/acs.jpclett.7b00236 ↗
80. Bychkov Yu. A. · JETP Lett. · 1984 · 39 · 78
81. Manchon A. · Nat. Mater. · 2015 · 14 · 87110.1038/nmat4360 ↗
82. Dresselhaus G. · Phys. Rev. · 1955 · 100 · 58010.1103/PhysRev.100.580 ↗
83. Niesner D. · Phys. Rev. Lett. · 2016 · 117 · 110.1103/PhysRevLett.117.126401 ↗
84. Motta C. · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 702610.1038/ncomms8026 ↗
85. Stroppa A. · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 590010.1038/ncomms6900 ↗
86. Stroppa A. · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 222310.1021/acs.jpclett.5b00542 ↗
87. Heyd J. · J. Chem. Phys. · 2003 · 118 · 820710.1063/1.1564060 ↗
88. Frohna K. · Nat. Commun. · 2018 · 9 · 182910.1038/s41467-018-04212-w ↗
89. Kim M. · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2014 · 111 · 690010.1073/pnas.1405780111 ↗
90. Hader J. · Proc. SPIE · 2006 · 6115 · 61151T10.1117/12.641744 ↗
91. Tress W. · Adv. Energy Mater. · 2017 · 7 · 160235810.1002/aenm.201602358 ↗
92. Quarti C. · Chem. Mater. · 2014 · 26 · 655710.1021/cm5032046 ↗
93. Monserrat B. · J. Phys. Condens. Matter · 2018 · 30 · 08300110.1088/1361-648X/aaa737 ↗
94. deQuilettes D. W. · Chem. Rev. · 2019 · 119 · 1100710.1021/acs.chemrev.9b00169 ↗
95. Emin D. · J. Appl. Phys. · 2018 · 123 · 05510510.1063/1.5019834 ↗
96. Fang H.‐H. · Adv. Funct. Mater. · 2015 · 25 · 237810.1002/adfm.201404421 ↗
97. Filippetti A. · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 2484310.1021/jp507430x ↗
98. Kioupakis E. · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 98 · 16110710.1063/1.3570656 ↗
99. Lin G.‐B. · Appl. Phys. Lett. · 2012 · 100 · 16110610.1063/1.4704366 ↗
100. Bulashevich K. A. · Phys. Status Solidi C · 2008 · 5 · 206610.1002/pssc.200778414 ↗