Organic–inorganic perovskites are one of the most promising photovoltaic materials for the design of next generation solar cells. The lead-based perovskite prepared with methylammonium and iodide was the first in demonstrating high power conversion efficiency, and it remains one of the most used materials today. However, perovskites prepared by mixing several halides and several cations systematically yield higher efficiencies than “pure” methylammonium lead iodide (MAPbI3) devices. In this work, we unravel the excited-state properties of a mixed-halide (iodide and bromide) and mixed-cation (methylammonium and formamidinium) perovskite. Combining time-resolved photoluminescence, transient absorption, and optical-pump–terahertz-probe experiments with density functional theory calculations, we show that the population of higher-lying excited states in the mixed material increases the lifetime of photogenerated charge carriers upon well above-bandgap excitation. We suggest that alloying different halides and different cations reduces the structural symmetry of the perovskite, which partly releases the selection rules to populate the higher-energy states upon light absorption. Our investigation thus shows that mixed halide perovskites should be considered as an electronically different material than MAPbI3, paving the way toward further materials optimization and improved power conversion efficiency of perovskite solar cells.

1.
G.
Giorgi
,
J.-I.
Fujisawa
,
H.
Segawa
, and
K.
Yamashita
,
J. Phys. Chem. C
118
,
12176
(
2014
).
2.
P. N.
Rudd
and
J.
Huang
,
Trends Chem.
1
,
394
(
2019
).
3.
C.
Tablero Crespo
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
195
,
269
(
2019
).
4.
G. E.
Eperon
,
S. D.
Stranks
,
C.
Menelaou
,
M. B.
Johnston
,
L. M.
Herz
, and
H. J.
Snaith
,
Energy Environ. Sci.
7
,
982
(
2014
).
5.
J. T.-W.
Wang
,
Z.
Wang
,
S.
Pathak
,
W.
Zhang
,
D. W.
deQuilettes
,
F.
Wisnivesky-Rocca-Rivarola
,
J.
Huang
,
P. K.
Nayak
,
J. B.
Patel
,
H. A.
Mohd Yusof
,
Y.
Vaynzof
,
R.
Zhu
,
I.
Ramirez
,
J.
Zhang
,
C.
Ducati
,
C.
Grovenor
,
M. B.
Johnston
,
D. S.
Ginger
,
R. J.
Nicholas
, and
H. J.
Snaith
,
Energy Environ. Sci.
9
,
2892
(
2016
).
6.
EPLI, A White Paper from the European Perovskite Initiative,
2019
.
7.
S.
Das
,
S.
Gholipour
, and
M.
Saliba
,
Energy Environ. Mater.
2
,
146
(
2019
).
8.
S. A.
Kulkarni
,
T.
Baikie
,
P. P.
Boix
,
N.
Yantara
,
N.
Mathews
, and
S.
Mhaisalkar
,
J. Mater. Chem. A
2
,
9221
(
2014
).
9.
Y.
Zhou
,
Y.-H.
Jia
,
H.-H.
Fang
,
M. A.
Loi
,
F.-Y.
Xie
,
L.
Gong
,
M.-C.
Qin
,
X.-H.
Lu
,
C.-P.
Wong
, and
N.
Zhao
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1803130
(
2018
).
10.
J.
Cao
,
B.
Wu
,
R.
Chen
,
Y.
Wu
,
Y.
Hui
,
B.-W.
Mao
, and
N.
Zheng
,
Adv. Mater.
30
,
1705596
(
2018
).
11.
A. K.
Jena
,
A.
Kulkarni
, and
T.
Miyasaka
,
Chem. Rev.
119
,
3036
(
2019
).
12.
O. J.
Weber
,
B.
Charles
, and
M. T.
Weller
,
J. Mater. Chem. A
4
,
15375
(
2016
).
13.
A.
Binek
,
F. C.
Hanusch
,
P.
Docampo
, and
T.
Bein
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1249
(
2015
).
14.
X.
Zhang
,
H.
Liu
,
W.
Wang
,
J.
Zhang
,
B.
Xu
,
K. L.
Karen
,
Y.
Zheng
,
S.
Liu
,
S.
Chen
,
K.
Wang
, and
X. W.
Sun
,
Adv. Mater.
29
,
1606405
(
2017
).
15.
G.
Pang
,
X.
Lan
,
R.
Li
,
Z.
He
, and
R.
Chen
,
Nanoscale
11
,
5215
(
2019
).
16.
A.
Solanki
,
P.
Yadav
,
S.-H.
Turren-Cruz
,
S. S.
Lim
,
M.
Saliba
, and
T. C.
Sum
,
Nano Energy
58
,
604
(
2019
).
17.
J.
Even
,
L.
Pedesseau
, and
C.
Katan
,
J. Phys. Chem. C
118
,
11566
(
2014
).
18.
Q.
Lin
,
A.
Armin
,
R. C. R.
Nagiri
,
P. L.
Burn
, and
P.
Meredith
,
Nat. Photonics
9
,
106
(
2015
).
19.
A.
Miyata
,
A.
Mitioglu
,
P.
Plochocka
,
O.
Portugall
,
J. T.-W.
Wang
,
S. D.
Stranks
,
H. J.
Snaith
, and
R. J.
Nicholas
,
Nat. Phys.
11
,
582
(
2015
).
20.
M.
Saba
,
M.
Cadelano
,
D.
Marongiu
,
F.
Chen
,
V.
Sarritzu
,
N.
Sestu
,
C.
Figus
,
M.
Aresti
,
R.
Piras
,
A. G.
Lehmann
,
C.
Cannas
,
A.
Musinu
,
F.
Quochi
,
A.
Mura
, and
G.
Bongiovanni
,
Nat. Commun.
5
,
5049
(
2014
).
21.
N.
Sestu
,
M.
Cadelano
,
V.
Sarritzu
,
F.
Chen
,
D.
Marongiu
,
R.
Piras
,
M.
Mainas
,
F.
Quochi
,
M.
Saba
,
A.
Mura
, and
G.
Bongiovanni
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
4566
(
2015
).
22.
S. D.
Stranks
,
G. E.
Eperon
,
G.
Grancini
,
C.
Menelaou
,
M. J. P.
Alcocer
,
T.
Leijtens
,
L. M.
Herz
,
A.
Petrozza
, and
H. J.
Snaith
,
Science
342
,
341
(
2013
).
23.
G.
Xing
,
N.
Mathews
,
S.
Sun
,
S. S.
Lim
,
Y. M.
Lam
,
M.
Grätzel
,
S.
Mhaisalkar
, and
T. C.
Sum
,
Science
342
,
344
(
2013
).
24.
V.
D’Innocenzo
,
G.
Grancini
,
M. J. P.
Alcocer
,
A. R. S.
Kandada
,
S. D.
Stranks
,
M. M.
Lee
,
G.
Lanzani
,
H. J.
Snaith
, and
A.
Petrozza
,
Nature Commun.
5
,
3586
(
2014
).
25.
J. S.
Manser
and
P. V.
Kamat
,
Nat. Photonics
8
,
737
(
2014
).
26.
A.
Filippetti
,
P.
Delugas
, and
A.
Mattoni
,
J. Phys. Chem. C
118
,
24843
(
2014
).
27.
H. F.
Zarick
,
N.
Soetan
,
W. R.
Erwin
, and
R.
Bardhan
,
J. Mater. Chem. A
6
,
5507
(
2018
).
28.
N. J.
Jeon
,
J. H.
Noh
,
W. S.
Yang
,
Y. C.
Kim
,
S.
Ryu
,
J.
Seo
, and
S. I.
Seok
,
Nature
517
,
476
(
2015
).
29.
D.
Bi
,
W.
Tress
,
M. I.
Dar
,
P.
Gao
,
J.
Luo
,
C.
Renevier
,
K.
Schenk
,
A.
Abate
,
F.
Giordano
,
J.-P.
Correa Baena
,
J.-D.
Decoppet
,
S. M.
Zakeeruddin
,
M. K.
Nazeeruddin
,
M.
Grätzel
, and
A.
Hagfeldt
,
Sci. Adv.
2
,
e1501170
(
2016
).
30.
O.
Selig
,
A.
Sadhanala
,
C.
Müller
,
R.
Lovrincic
,
Z.
Chen
,
Y. L. A.
Rezus
,
J. M.
Frost
,
T. L. C.
Jansen
, and
A. A.
Bakulin
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
4068
(
2017
).
31.
V.
D’Innocenzo
,
A. R. S.
Kandada
,
M.
De Bastiani
,
M.
Gandini
, and
A.
Petrozza
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
17730
(
2014
).
32.
A.
Marchioro
, “
Interfacial charge transfer dynamics in solid-state hybrid organic-inorganic solar cells
,” Ph.D. thesis, EPFL,
Department of Chemistry
,
2014
.
33.
L.
Wang
,
C.
McCleese
,
A.
Kovalsky
,
Y.
Zhao
, and
C.
Burda
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
12205
(
2014
).
34.
K. G.
Stamplecoskie
,
J. S.
Manser
, and
P. V.
Kamat
,
Energy Environ. Sci.
8
,
208
(
2015
).
35.
O.
Flender
,
J. R.
Klein
,
T.
Lenzer
, and
K.
Oum
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
19238
(
2015
).
36.
T. C.
Sum
,
N.
Mathews
,
G.
Xing
,
S. S.
Lim
,
W. K.
Chong
,
D.
Giovanni
, and
H. A.
Dewi
,
Acc. Chem. Res.
49
,
294
(
2016
).
37.
Y.
Yang
,
D. P.
Ostrowski
,
R. M.
France
,
K.
Zhu
,
J.
van de Lagemaat
,
J. M.
Luther
, and
M. C.
Beard
,
Nat. Photonics
10
,
53
(
2016
).
38.
T. J.
Jacobsson
,
J.-P.
Correa-Baena
,
E.
Halvani Anaraki
,
B.
Philippe
,
S. D.
Stranks
,
M. E. F.
Bouduban
,
W.
Tress
,
K.
Schenk
,
J.
Teuscher
,
J.-E.
Moser
,
H.
Rensmo
, and
A.
Hagfeldt
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
10331
(
2016
).
39.
M. B.
Price
,
J.
Butkus
,
T. C.
Jellicoe
,
A.
Sadhanala
,
A.
Briane
,
J. E.
Halpert
,
K.
Broch
,
J. M.
Hodgkiss
,
R. H.
Friend
, and
F.
Deschler
,
Nat. Commun.
6
,
8420
(
2015
).
40.
H.-Y.
Hsu
,
C.-Y.
Wang
,
A.
Fathi
,
J.-W.
Shiu
,
C.-C.
Chung
,
P.-S.
Shen
,
T.-F.
Guo
,
P.
Chen
,
Y.-P.
Lee
, and
E. W.-G.
Diau
,
Angew. Chem., Int. Ed.
53
,
9339
(
2014
).
41.
J. C.
Brauer
,
Y. H.
Lee
,
M. K.
Nazeeruddin
, and
N.
Banerji
,
J. Mater. Chem. C
4
,
5922
(
2016
).
42.
G.
Grancini
,
A. R.
Srimath Kandada
,
J. M.
Frost
,
A. J.
Barker
,
M.
De Bastiani
,
M.
Gandini
,
S.
Marras
,
G.
Lanzani
,
A.
Walsh
, and
A.
Petrozza
,
Nat. Photonics
9
,
695
(
2015
).
43.
K.
Galkowski
,
A.
Mitioglu
,
A.
Miyata
,
P.
Plochocka
,
O.
Portugall
,
G. E.
Eperon
,
J. T.-W.
Wang
,
T.
Stergiopoulos
,
S. D.
Stranks
,
H. J.
Snaith
, and
R. J.
Nicholas
,
Energy Environ. Sci.
9
,
962
(
2016
).
44.
J.
Yang
,
X.
Wen
,
H.
Xia
,
R.
Sheng
,
Q.
Ma
,
J.
Kim
,
P.
Tapping
,
T.
Harada
,
T. W.
Kee
,
F.
Huang
,
Y.-B.
Cheng
,
M.
Green
,
A.
Ho-Baillie
,
S.
Huang
,
S.
Shrestha
,
R.
Patterson
, and
G.
Conibeer
,
Nat. Commun.
8
,
14120
(
2017
).
45.
J.
Fu
,
Q.
Xu
,
G.
Han
,
B.
Wu
,
C. H. A.
Huan
,
M. L.
Leek
, and
T. C.
Sum
,
Nat. Commun.
8
,
1300
(
2017
).
46.
H.
Kawai
,
G.
Giorgi
,
A.
Marini
, and
K.
Yamashita
,
Nano Lett.
15
,
3103
(
2015
).
47.
M. C.
Beard
,
G. M.
Turner
, and
C. A.
Schmuttenmaer
,
Phys. Rev. B
62
,
15764
(
2000
).
48.
C.
La-o-vorakiat
,
T.
Salim
,
J.
Kadro
,
M. T.
Khuc
,
R.
Haselsberger
,
L.
Cheng
,
H. X.
Xia
,
G. G.
Gurzadyan
,
H. B.
Su
,
Y. M.
Lam
,
R. A.
Marcus
,
M. E.
Michel-Beyerle
, and
E. E. M.
Chia
,
Nat. Commun.
6
,
7903
(
2015
).
49.
N. V.
Smith
,
Phys. Rev. B
64
,
155106
(
2001
).
50.
M. B.
Johnston
and
L. M.
Herz
,
Acc. Chem. Res.
49
,
146
(
2016
).
51.
Y.
Yang
,
M. J.
Yang
,
Z.
Li
,
R.
Crisp
,
K.
Zhu
, and
M. C.
Beard
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
4688
(
2015
).
52.
R. L.
Milot
,
G. E.
Eperon
,
H. J.
Snaith
,
M. B.
Johnston
, and
L. M.
Herz
,
Adv. Funct. Mater.
25
,
6218
(
2015
).
53.
B.
Anand
,
S.
Sampat
,
E. O.
Danilov
,
W.
Peng
,
S. M.
Rupich
,
Y. J.
Chabal
,
Y. N.
Gartstein
, and
A. V.
Malko
,
Phys. Rev. B
93
,
161205
(
2016
).
54.
G.
Xing
,
B.
Wu
,
S.
Chen
,
J.
Chua
,
N.
Yantara
,
S.
Mhaisalkar
,
N.
Mathews
, and
T. C.
Sum
,
Small
11
,
3606
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.