journal article·2021-04Open access

Advanced Characterization Techniques for Overcoming Challenges of Perovskite Solar Cell Materials

Min‐cheol Kim, So‐Yeon Ham, Diyi Cheng, Thomas A. Wynn, Hyun Suk Jung, Ying Shirley Meng

Advanced Energy Materials· Volume 11· Issue 15

Abstract

Abstract In the last 10 years, organic–inorganic hybrid perovskite solar cells have achieved unprecedented advances, to the point where they now exhibit extremely high efficiency. However, long‐term stability and areal scalability limitations impede the commercial application of perovskite materials, and appropriate diagnosistic tools have become necessary to evaluate perovskite materials. Characterization of perovskite materials is regularly misinterpretated, due to unique intrinsic and extrinsic factors: degradation from the measurement source, ion migration, phase transition, and separation. Herein, studies on perovskites are reviewed that have used advanced characterization tools to overcome characterization challenges. Cryogenic temperature assisted measurements mitigate degradation or phase transitions induced by the measurement source. In situ measurements can track the variation of perovskite materials depending on external stimuli. Spatial material properties are able to be evaluated by the use of multidimensional mapping techniques. An overview of these advanced characterization tools that can overcome the challenges associated with established tools provides the opportunity for further understanding perovskite materials and solving the remaining challenges on the road to commercialization.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Perovskite Materials and Applications · Conducting polymers and applications · Solid-state spectroscopy and crystallography

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

Affiliations

Department of NanoEngineering University of California San Diego 9500 Gilman Drive, La Jolla San Diego CA 92093 USA

Materials Science and Engineering Program University of California San Diego 9500 Gilman Drive, La Jolla San Diego CA 92093 USA

School of Advanced Materials Science and Engineering Sunkyunkwan University 2066, Seobu‐Ro, Jangan‐gu Suwon Gyeonggi‐do 16419 Republic of Korea

Funding

National Research Foundation of Korea · Ministry of Education · Basic Energy Sciences · California Energy Commission

References (100+)

Show source-provided references
1. Ellabban O. · Renewable Sustainable Energy Rev. · 2014 · 39 · 74810.1016/j.rser.2014.07.113 ↗
2. Lewis N. S. · Science · 2007 · 315 · 79810.1126/science.1137014 ↗
3. Burschka J. · Nature · 2013 · 499 · 31610.1038/nature12340 ↗
4. Im J. H. · Nanoscale · 2011 · 3 · 408810.1039/c1nr10867k ↗
5. Jeon N. J. · Nat. Mater. · 2014 · 13 · 89710.1038/nmat4014 ↗
6. Kojima A. · J. Am. Chem. Soc. · 2009 · 131 · 605010.1021/ja809598r ↗
7. Lee M. M. · Science · 2012 · 338 · 64310.1126/science.1228604 ↗
8. Yang W. S. · Science · 2015 · 348 · 123410.1126/science.aaa9272 ↗
9. Kim H. S. · Sci. Rep. · 2012 · 2 · 59110.1038/srep00591 ↗
10. National Renewable Energy Laboratory (NREL) Best Research‐Cell Efficiency Chart https://www.nrel.gov/pv/cell‐efficiency.html(accessed: April2020).
11. Kim M.‐c. · J. Mater. Chem. A · 2019 · 7 · 1207510.1039/C9TA03180D ↗
12. Park M. · Small · 2019 · 15 · 180400510.1002/smll.201804005 ↗
13. Grancini G. · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 1568410.1038/ncomms15684 ↗
14. Li Z. · Nat. Rev. Mater. · 2018 · 3 · 110.1038/s41578-018-0013-z ↗
15. Tsai H. · Nature · 2016 · 536 · 31210.1038/nature18306 ↗
16. Bush K. A. · Nat. Energy · 2017 · 2 · 1
17. Christians J. A. · Nat. Energy · 2018 · 3 · 6810.1038/s41560-017-0067-y ↗
18. National Renewable Energy Laboratory (NREL) Champion Photovoltaic Module Efficiency Chart https://www.nrel.gov/pv/module‐efficiency.html(accessed: April2020).
19. Noh J. H. · Nano Lett. · 2013 · 13 · 176410.1021/nl400349b ↗
20. Kim M. C. · Nano Lett. · 2016 · 16 · 575610.1021/acs.nanolett.6b02473 ↗
21. Stranks S. D. · Science · 2013 · 342 · 34110.1126/science.1243982 ↗
22. De Roo J. · ACS Nano · 2016 · 10 · 207110.1021/acsnano.5b06295 ↗
23. You J. · Nat. Nanotechnol. · 2016 · 11 · 7510.1038/nnano.2015.230 ↗
24. Xiao Z. · Nat. Mater. · 2015 · 14 · 19310.1038/nmat4150 ↗
25. Unger E. L. · Chem. Mater. · 2014 · 26 · 715810.1021/cm503828b ↗
26. Li X. · Nat. Chem. · 2015 · 7 · 70310.1038/nchem.2324 ↗
27. Kim J. H. · Nanoscale · 2015 · 7 · 1734310.1039/C5NR04250J ↗
28. Lee D. G. · Appl. Surf. Sci. · 2019 · 477 · 13110.1016/j.apsusc.2017.11.124 ↗
29. Zhou Y. · Joule · 2019 · 3 · 64110.1016/j.joule.2018.12.011 ↗
30. Gao L.‐L. · J. Mater. Chem. A · 2016 · 4 · 370410.1039/C6TA00230G ↗
31. Sharenko A. · Chem. Mater. · 2017 · 29 · 131510.1021/acs.chemmater.6b04917 ↗
32. Yang B. · Adv. Mater. · 2018 · 30 · e170580110.1002/adma.201705801 ↗
33. Manser J. S. · Chem. Rev. · 2016 · 116 · 1295610.1021/acs.chemrev.6b00136 ↗
34. Zhao Y. · Chem. Soc. Rev. · 2016 · 45 · 65510.1039/C4CS00458B ↗
35. Klein‐Kedem N. · Acc. Chem. Res. · 2016 · 49 · 34710.1021/acs.accounts.5b00469 ↗
36. Xiao C. · J. Phys. Chem. C · 2015 · 119 · 2690410.1021/acs.jpcc.5b09698 ↗
37. McGettrick J. D. · Mater. Lett. · 2019 · 251 · 9810.1016/j.matlet.2019.04.081 ↗
38. Bryant D. · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 165510.1039/C6EE00409A ↗
39. Kim H. S. · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 463310.1021/acs.jpclett.5b02273 ↗
40. Snaith H. J. · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 151110.1021/jz500113x ↗
41. Kim H. S. · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 224210.1038/ncomms3242 ↗
42. Calado P. · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1383110.1038/ncomms13831 ↗
43. Aristidou N. · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 1521810.1038/ncomms15218 ↗
44. Juarez‐Perez E. J. · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 239010.1021/jz5011169 ↗
45. Quarti C. · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 15510.1039/C5EE02925B ↗
46. De Bastiani M. · Adv. Energy Mater. · 2016 · 6 · 150145310.1002/aenm.201501453 ↗
47. Eames C. · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 749710.1038/ncomms8497 ↗
48. Leguy A. M. A. · Chem. Mater. · 2015 · 27 · 339710.1021/acs.chemmater.5b00660 ↗
49. Kim G. Y. · Nat. Mater. · 2018 · 17 · 44510.1038/s41563-018-0038-0 ↗
50. Ahn N. · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1342210.1038/ncomms13422 ↗
51. Aristidou N. · Angew. Chem., Int. Ed. Engl. · 2015 · 54 · 820810.1002/anie.201503153 ↗
52. Niu G. · J. Mater. Chem. A · 2015 · 3 · 897010.1039/C4TA04994B ↗
53. Juarez‐Perez E. J. · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 340610.1039/C6EE02016J ↗
54. Ma L. · Chem. Mater. · 2019 · 31 · 851510.1021/acs.chemmater.9b03190 ↗
55. Klug H. P. · 1974 · 992
56. McIntyre N. S. · Anal. Chem. · 1977 · 49 · 152110.1021/ac50019a016 ↗
57. Cheshnovsky O. · Chem. Phys. Lett. · 1987 · 138 · 11910.1016/0009-2614(87)80353-6 ↗
58. Ha S.‐T. · Nat. Photonics · 2016 · 10 · 11510.1038/nphoton.2015.243 ↗
59. Leijtens T. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 150096210.1002/aenm.201500962 ↗
60. Hoye R. L. Z. · Chem. Mater. · 2017 · 29 · 196410.1021/acs.chemmater.6b03852 ↗
61. Liu W. · J. Mater. Chem. A · 2019 · 7 · 1091210.1039/C9TA01898K ↗
62. Kong W. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2015 · 17 · 1640510.1039/C5CP02605A ↗
63. Han Q. · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 225310.1002/adma.201505002 ↗
64. Goldschmidt V. M. · Naturwissenschaften · 1926 · 14 · 47710.1007/BF01507527 ↗
65. Smecca E. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2016 · 18 · 1341310.1039/C6CP00721J ↗
66. Shockley W. · J. Appl. Phys. · 1961 · 32 · 51010.1063/1.1736034 ↗
67. Niu T. · Energy Environ. Sci. · 2018 · 11 · 335810.1039/C8EE02542H ↗
68. Lee J. W. · Nat. Commun. · 2018 · 9 · 302110.1038/s41467-018-05454-4 ↗
69. Lee J. W. · Adv. Mater. · 2014 · 26 · 499110.1002/adma.201401137 ↗
70. Lee J. W. · J. Am. Chem. Soc. · 2018 · 140 · 631710.1021/jacs.8b01037 ↗
71. Yun J. S. · Adv. Funct. Mater. · 2018 · 28 · 170536310.1002/adfm.201705363 ↗
72. Dastidar S. · J. Phys. Chem. Lett. · 2017 · 8 · 127810.1021/acs.jpclett.7b00134 ↗
73. Kirschner M. S. · Nat. Commun. · 2019 · 10 · 50410.1038/s41467-019-08362-3 ↗
74. Zhu H. · J. Phys. Chem. Lett. · 2018 · 9 · 419910.1021/acs.jpclett.8b01852 ↗
75. Wozny S. · Chem. Mater. · 2015 · 27 · 481410.1021/acs.chemmater.5b01691 ↗
76. Postorino P. · J. Phys. Chem. Lett. · 2017 · 8 · 261310.1021/acs.jpclett.7b00347 ↗
77. Deretzis I. · Appl. Phys. Lett. · 2015 · 106 · 13190410.1063/1.4916821 ↗
78. Malavasi L. · Chem. Soc. Rev. · 2010 · 39 · 437010.1039/b915141a ↗
79. Goodenough J. B. · Rep. Prog. Phys. · 2004 · 67 · 191510.1088/0034-4885/67/11/R01 ↗
80. Narayan R. L. · Mater. Lett. · 1991 · 11 · 30510.1016/0167-577X(91)90208-N ↗
81. Mizusaki J. · Solid State Ionics · 1983 · 11 · 20310.1016/0167-2738(83)90025-5 ↗
82. Azpiroz J. M. · Energy Environ. Sci. · 2015 · 8 · 211810.1039/C5EE01265A ↗
83. Shao Y. · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 1
84. Steirer K. X. · ACS Energy Lett. · 2016 · 1 · 36010.1021/acsenergylett.6b00196 ↗
85. Yi C. · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 65610.1039/C5EE03255E ↗
86. Chi D. · Adv. Funct. Mater. · 2018 · 28 · 180460310.1002/adfm.201804603 ↗
87. Xie L. Q. · J. Am. Chem. Soc. · 2017 · 139 · 332010.1021/jacs.6b12432 ↗
88. Li Z. · Chem. Mater. · 2016 · 28 · 28410.1021/acs.chemmater.5b04107 ↗
89. Saliba M. · Science · 2016 · 354 · 20610.1126/science.aah5557 ↗
90. Saliba M. · Energy Environ. Sci. · 2016 · 9 · 198910.1039/C5EE03874J ↗
91. Bischak C. G. · Nano Lett. · 2017 · 17 · 102810.1021/acs.nanolett.6b04453 ↗
92. Draguta S. · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 20010.1038/s41467-017-00284-2 ↗
93. Kubicki D. J. · J. Am. Chem. Soc. · 2017 · 139 · 1417310.1021/jacs.7b07223 ↗
94. Brennan M. C. · ACS Energy Lett. · 2017 · 3 · 20410.1021/acsenergylett.7b01151 ↗
95. Egerton R. F. · Micron · 2004 · 35 · 39910.1016/j.micron.2004.02.003 ↗
96. Egerton R. F. · Ultramicroscopy · 2013 · 127 · 10010.1016/j.ultramic.2012.07.006 ↗
97. Baker L. A. · 2010 · 371
98. Zhang D. · Science · 2018 · 359 · 67510.1126/science.aao0865 ↗
99. Adrian M. · Nature · 1984 · 308 · 3210.1038/308032a0 ↗
100. Knapek E. · J. Mol. Biol. · 1980 · 141 · 14710.1016/0022-2836(80)90382-4 ↗