We performed in situ x-ray diffraction (XRD) experiments on an inorganic–organic hybrid perovskite, CH3NH3PbI3 (MAPbI3), during its interaction with moisture to understand the degradation mechanism. Although the degradation of inorganic–organic hybrid perovskite is an important factor hampering their development as solar cell materials, understanding of the degradation process is currently limited. The moisture-induced degradation mechanism was revealed by the temperature dependence of the in situ XRD pattern sequences and first-principles calculations based on the nudged elastic band method. The combination of experimental and computational data suggests that the MAPbI3 crystal spontaneously changes into the MAPbI3 mono-hydrate crystal once water molecules activated with an energy of more than ∼0.6 eV penetrate the (100) outer surface of the MAPbI3 lattice. These findings have important implications for the development of more robust inorganic–organic hybrid perovskites as light absorbing layers in solar cells and other applications.

1.
A.
Kojima
,
K.
Teshima
,
Y.
Shirai
, and
T.
Miyasaka
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
6050
(
2009
).
2.
M. M.
Lee
,
J.
Teuscher
,
T.
Miyasaka
,
T. N.
Murakami
, and
H. J.
Snaith
,
Science
338
,
643
(
2012
).
3.
M. A.
Green
,
K.
Emery
,
Y.
Hishikawa
,
W.
Warta
, and
E. D.
Dunlop
,
Prog. Photovoltaics Res. Appl.
23
(
1
),
1
(
2015
).
4.
F. X.
Xie
,
D.
Zhang
,
H.
Su
,
X.
Ren
,
K.
Sing-Wong
,
M.
Gratzel
, and
W. C. H.
Choy
,
ACS Nano
9
,
639
(
2015
).
5.
W. S.
Yang
,
B.-W.
Park
,
E. H.
Jung
,
N. J.
Jeon
,
Y. C.
Kim
,
D. U.
Lee
,
S. S.
Shin
,
J.
Seo
,
E. K.
Kim
,
J. H.
Noh
, and
S. I.
Seok
,
Science
356
,
1376
(
2017
).
6.
Z.
Chen
,
B.
Turedi
,
A. Y.
Alsalloum
,
C.
Yang
,
X.
Zheng
,
I.
Gereige
,
A.
AlSaggaf
,
O. F.
Mohammed
, and
O. M.
Bakr
,
ACS Energy Lett.
4
,
1258
(
2019
).
7.
J.
Tong
,
Z.
Song
,
D. H.
Kim
,
X.
Chen
,
C.
Chen
,
A. F.
Palmstrom
,
P. F.
Ndione
,
M. O.
Reese
,
S. P.
Dunfield
,
O. G.
Reid
,
J.
Liu
,
F.
Zhang
,
S. P.
Harvey
,
Z.
Li
,
S. T.
Christensen
,
G.
Teeter
,
D.
Zhao
,
M. M.
Al-Jassim
,
M. F. A. M.
van Hest
,
M. C.
Beard
,
S. E.
Shaheen
,
J. J.
Berry
,
Y.
Yan
, and
K.
Zhu
,
Science
364
,
475
(
2019
).
8.
See http://www.nrel.gov/ncpv, for “
Best research-cell efficiencies N. R. E. L. (NREL)
” (
2020
).
9.
J. H.
Noh
,
S. H.
Im
,
J. H.
Heo
,
T. N.
Mandal
, and
S. I.
Seok
,
Nano Lett.
13
,
1764
(
2013
).
10.
J. M.
Frost
,
K. T.
Butler
,
F.
Brivio
,
C. H.
Hendon
,
M.
van Schilfgaarde
, and
A.
Walsh
,
Nano Lett.
14
,
2584
(
2014
).
11.
G.
Niu
,
W.
Li
,
F.
Meng
,
L.
Wang
,
H.
Donga
, and
Y.
Qiua
,
J. Mater. Chem. A
2
,
705
(
2014
).
12.
A.
Wakamiya
,
M.
Endo
,
T.
Sasamori
,
N.
Tokitoh
,
Y.
Ogomi
,
S.
Hayase
, and
Y.
Murata
,
Chem. Lett.
43
,
711
(
2014
).
13.
Z.
Song
,
A.
Abate
,
S. C.
Watthage
,
G. K.
Liyanage
,
A. B.
Phillips
,
U.
Steiner
,
M.
Graetzel
, and
M. J.
Heben
,
IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)
(
2016
).
14.
N.
Aristidou
,
C.
Eames
,
I.
Sanchez-Molina
,
X.
Bu
,
J.
Kosco
,
M. S.
Islam
, and
S. A.
Haque
,
Nat. Commun.
8
,
15218
(
2017
).
15.
Q.
Wang
,
B.
Chen
,
Y.
Lui
,
Y.
Deng
,
Y.
Bai
,
Q.
Dong
, and
J.
Huang
,
Energy Environ. Sci.
10
,
516
(
2017
).
16.
R. T.
Ginting
,
M.-K.
Jeon
,
K.-J.
Lee
,
W.-Y.
Jin
,
T.-W.
Kim
, and
J.-W.
Kang
,
J. Mater. Chem. A
5
,
4527
(
2017
).
17.
D.
Koushik
,
W. J. H.
Verhees
,
Y.
Kuang
,
S.
Veenstra
,
D.
Zhang
,
M.
Verheijen
,
M.
Creatore
, and
R. E. I.
Schropp
,
Energy Environ. Sci.
10
,
91
(
2017
).
18.
J.
Huang
,
S.
Tan
,
P. D.
Lund
, and
H.
Zhou
,
Energy Environ. Sci.
10
,
2284
(
2017
).
19.
N.-K.
Kim
,
Y. H.
Min
,
S.
Noh
,
E.
Cho
,
G.
Jeong
,
M.
Joo
,
S.-W.
Ahn
,
J. S.
Lee
,
S.
Kim
,
K.
Ihm
,
H.
Ahn
,
Y.
Kang
,
H.-S.
Lee
, and
D.
Kim
,
Sci. Rep.
7
,
4645
(
2017
).
20.
A.
Kakekhani
,
R. N.
Katti
, and
A. M.
Rappe
,
APL Mater.
7
,
041112
(
2019
).
21.
Z. Y.
Wu
,
B.-L.
Jian
, and
H.-C.
Hsu
,
Opt. Mater. Express
9
,
1882
(
2019
).
22.
M.
Hada
,
Y.
Hasegawa
,
R.
Nagaoka
,
T.
Miyake
,
U.
Abdullaev
,
H.
Ota
,
T.
Nishikawa
,
Y.
Yamashita
, and
Y.
Hayashi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
57
,
028001
(
2018
).
23.
J. A.
Christians
,
P. A. M.
Herrera
, and
P. V.
Kamat
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
1530
(
2015
).
24.
J.
Yang
,
B. D.
Siempelkamp
,
D.
Liu
, and
T. L.
Kelly
,
ACS Nano
9
,
1955
(
2015
).
25.
Y.
Han
,
S.
Meyer
,
Y.
Dkhissi
,
K.
Weber
,
J. M.
Pringle
,
U.
Bach
,
L.
Spiccia
, and
Y.-B.
Cheng
,
J. Mater. Chem. A
3
,
8139
(
2015
).
26.
B.
Hailegnaw
,
S.
Kirmayer
,
E.
Edri
,
G.
Hodes
, and
D.
Cahen
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1543
(
2015
).
27.
A. M. A.
Leguy
,
Y.
Hu
,
M.
Campoy-Quiles
,
M. I.
Alonso
,
O. J.
Weber
,
P.
Azarhoosh
,
M.
van Schilfgaarde
,
M. T.
Weller
,
T.
Bein
,
J.
Nelson
,
P.
Docampo
, and
P. R. F.
Barnes
,
Chem. Mater.
27
,
3397
(
2015
).
28.
S.
Ito
,
APL Mater.
4
,
091504
(
2016
).
29.
J.
Burschka
,
N.
Pellet
,
S.-J.
Moon
,
R.
Humphry-Baker
,
P.
Gao
,
M. K.
Nazeeruddin
, and
M.
Grätzel
,
Nature
499
,
316
(
2013
).
30.
J.-H.
Im
,
I.-H.
Jang
,
N.
Pellet
,
M.
Grätzel
, and
N.-G.
Park
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
927
(
2014
).
31.
J.-H.
Im
,
H.-S.
Kim
, and
N.-G.
Park
,
APL Mater.
2
,
081510
(
2014
).
32.
T.
Oku
, in
Solar Cells: New Approaches and Reviews
, edited by
L. A.
Kosyachenko
(
InTech
,
Rijeka
,
2015
), Chap. 3.
33.
G. H.
Imler
,
X.
Li
,
B.
Xu
,
G. E.
Dobereiner
,
H.-L.
Dai
,
Y.
Rao
, and
B. B.
Wayland
,
Chem. Commun.
51
,
11290
(
2015
).
34.
D.
Li
,
S. A.
Bretschneider
,
V. W.
Bergmann
,
I. M.
Hermes
,
J.
Mars
,
A.
Klasen
,
H.
Lu
,
W.
Tremel
,
M.
Mezger
,
H.-J.
Butt
,
S. A. L.
Weber
, and
R.
Berger
,
J. Phys. Chem. C
120
,
6363
(
2016
).
35.
A. M.
Askar
,
G. M.
Bernard
,
B.
Wiltshire
,
K.
Shankar
, and
V. K.
Michaelis
,
J. Phys. Chem. C
121
,
1013
(
2017
).
36.
B. R.
Vincent
,
K. N.
Robertson
,
T. S.
Cameron
, and
O.
Knop
,
Can. J. Chem.
65
,
1042
(
1987
).
37.
M. A. A.
Asad
,
K.
Sato
, and
K.
Tsuruta
,
MRS Adv.
4
,
1965
(
2019
).
38.
G.
Henkelman
and
H.
Jónsson
,
J. Chem. Phys.
113
,
9978
(
2000
).
39.
A.
Massaro
,
A. B.
Muñoz-García
,
P.
Maddalena
,
F.
Bella
,
G.
Meligrana
,
C.
Gerbaldi
, and
M.
Pavone
,
Nanoscale Adv.
2
,
2745
(
2020
).
40.
M.
Jia
,
H.
Wang
,
Z.
Sun
,
Y.
Chen
,
C.
Guo
, and
L.
Gan
,
RSC Adv.
7
,
26089
(
2017
).
41.
K.
Miyata
,
R.
Nagaoka
,
M.
Hada
,
T.
Tanaka
,
R.
Mishima
,
T.
Kuroda
,
S.
Sueta
,
T.
Iida
,
Y.
Yamashita
,
T.
Nishikawa
,
K.
Tsuruta
,
Y.
Hayashi
,
K.
Onda
,
T.
Kiwa
, and
T.
Teranishi
,
J. Chem. Phys.
152
,
084704
(
2020
).
42.
C.
Zheng
and
O.
Rubel
,
J. Phys. Chem. C
123
,
19385
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.