Organolead halide perovskites currently are the new front-runners as light absorbers in hybrid solar cells, as they combine efficiencies passing already 20% with deposition temperatures below 100 °C and cheap solution-based fabrication routes. Long-term stability remains a major obstacle for application on an industrial scale. Here, it is demonstrated that significant decomposition effects already occur during annealing of a methylammonium lead triiode perovskite at 85 °C even in inert atmosphere thus violating international standards. The observed behavior supports the view of currently used perovskite materials as soft matter systems with low formation energies, thus representing a major bottleneck for their application, especially in countries with high average temperatures. This result can trigger a broader search for new perovskite families with improved thermal stability.

Despite the impressive photovoltaic performances with power conversion efficiency beyond 22%, perovskite solar cells are poorly stable under operation, failing by far the market requirements. Various technological approaches have been proposed to overcome the instability problem, which, while delivering appreciable incremental improvements, are still far from a market-proof solution. Here we show one-year stable perovskite devices by engineering an ultra-stable 2D/3D (HOOC(CH2)4NH3)2PbI4/CH3NH3PbI3 perovskite junction. The 2D/3D forms an exceptional gradually-organized multi-dimensional interface that yields up to 12.9% efficiency in a carbon-based architecture, and 14.6% in standard mesoporous solar cells. To demonstrate the up-scale potential of our technology, we fabricate 10 × 10 cm2 solar modules by a fully printable industrial-scale process, delivering 11.2% efficiency stable for >10,000 h with zero loss in performances measured under controlled standard conditions. This innovative stable and low-cost architecture will enable the timely commercialization of perovskite solar cells.

Anion/cation vacancies located at different interfaces in perovskite solar cells may modify the electronic energy landscape, hampering charge extraction, and presumably contributing to the observed J–V hysteresis.

Hybrid AMX3 perovskites (A = Cs, CH3NH3; M = Sn, Pb; X = halide) have revolutionized the scenario of emerging photovoltaic technologies, with very recent results demonstrating 15% efficient solar cells. The CH3NH3PbI3/MAPb(I1−xClx)3 perovskites have dominated the field, while the similar CH3NH3SnI3 has not been exploited for photovoltaic applications. Replacement of Pb by Sn would facilitate the large uptake of perovskite-based photovoltaics. Despite the extremely fast progress, the materials electronic properties which are key to the photovoltaic performance are relatively little understood. Density Functional Theory electronic structure methods have so far delivered an unbalanced description of Pb- and Sn-based perovskites. Here we develop an effective GW method incorporating spin-orbit coupling which allows us to accurately model the electronic, optical and transport properties of CH3NH3SnI3 and CH3NH3PbI3, opening the way to new materials design. The different CH3NH3SnI3 and CH3NH3PbI3 electronic properties are discussed in light of their exploitation for solar cells and found to be dominantly due to relativistic effects. These effects stabilize the CH3NH3PbI3 material towards oxidation, by inducing a deeper valence band edge. Relativistic effects, however, also increase the material band-gap compared to CH3NH3SnI3, due to the valence band energy downshift (~0.7 eV) being only partly compensated by the conduction band downshift (~0.2 eV).

Organohalide lead perovskites have revolutionized the scenario of emerging photovoltaic technologies. The prototype MAPbI3 perovskite (MA = CH3NH3+) has dominated the field, despite only harvesting photons above 750 nm (∼1.6 eV). Intensive research efforts are being devoted to find new perovskites with red-shifted absorption onset, along with good charge transport properties. Recently, a new perovskite based on the formamidinium cation ((NH2)2CH+ = FA) has shown potentially superior properties in terms of band gap and charge transport compared to MAPbI3. The results have been interpreted in terms of the cation size, with the larger FA cation expectedly delivering reduced band-gaps in Pb-based perovskites. To provide a full understanding of the interplay among size, structure, and organic/inorganic interactions in determining the properties of APbI3 perovskites, in view of designing new materials and fully exploiting them for solar cells applications, we report a fully first-principles investigation on APbI3 perovskites with A = Cs+, MA, and FA. Our results evidence that the tetragonal-to-quasi cubic structural evolution observed when moving from MA to FA is due to the interplay of size effects and enhanced hydrogen bonding between the FA cations and the inorganic matrix altering the covalent/ionic character of Pb–I bonds. Most notably, the observed cation-induced structural variability promotes markedly different electronic and optical properties in the MAPbI3 and FAPbI3 perovskites, mediated by the different spin–orbit coupling, leading to improved charge transport and red-shifted absorption in FAPbI3 and in general in pseudocubic structures. Our theoretical model constitutes the basis for the rationale design of new and more efficient organohalide perovskites for solar cells applications.

We computationally investigate organometal CH3NH3PbX3 and mixed halide CH3NH3PbI2X perovskites (X = Cl, Br, I), which are key materials for high efficiency solid-state solar cells. CH3NH3PbX3 perovskites exhibited the expected absorption blue shift along the I → Br → Cl series. The mixed halide systems surprisingly showed the CH3NH3PbI3 and the CH3NH3PbI2Cl (or CH3NH3PbI3–xClx) perovskites to have similar absorption onset at ∼800 nm wavelength, whereas CH3NH3PbI2Br absorbs light below ∼700 nm. To provide insight into the structural and electronic properties of these materials, in light of their application as solar cell active layers, we perform periodic DFT calculations on the CH3NH3PbX3 and CH3NH3PbI2X perovskites. We find a good agreement between the calculated band structures and the experimental trend of optical band gaps. For the mixed halide perovskites our calculations show the existence of two different types of structures with different electronic properties, whose relative stability varies by varying the X group. For these systems, the calculated formation energies decrease in the order I > Br > Cl, in line with the observed miscibility of CH3NH3PbI3 and CH3NH3PbBr3 compounds, while suggesting a comparatively smaller chlorine incorporation into CH3NH3Pb(I1–xClx)3 compounds. We also show that Cl atoms preferentially occupy the apical positions in the PbI4X2 octahedra, while Br atoms may occupy both apical and equatorial positions, consistent with reported lattice parameters. The interplay of the organic and inorganic components of the perovskites, possibly mediated by hydrogen bonding between the ammonium groups and the halides, seems to be the key to the observed structural variability.

Stability through oxysalts The stability of organic-inorganic perovskite solar cells is limited by degradation from oxygen and water. Yang et al. show that in situ reaction of perovskites with sulfate or phosphate ions can create thin, strongly bonded lead oxysalt layers that protect defect sites. This layer also boosts charge carrier lifetimes that lead to a power conversion efficiency of more than 20%. Encapsulated devices maintained about 97% of this efficiency with simulated solar irradiation for nearly 2 months at a realistic operation temperature of 65°C. Science , this issue p. 473

We report a colloidal synthesis approach to CsPbBr3 nanoplatelets (NPLs). The nucleation and growth of the platelets, which takes place at room temperature, is triggered by the injection of acetone in a mixture of precursors that would remain unreactive otherwise. The low growth temperature enables the control of the plate thickness, which can be precisely tuned from 3 to 5 monolayers. The strong two-dimensional confinement of the carriers at such small vertical sizes is responsible for a narrow PL, strong excitonic absorption, and a blue shift of the optical band gap by more than 0.47 eV compared to that of bulk CsPbBr3. We also show that the composition of the NPLs can be varied all the way to CsPbBr3 or CsPbI3 by anion exchange, with preservation of the size and shape of the starting particles. The blue fluorescent CsPbCl3 NPLs represent a new member of the scarcely populated group of blue-emitting colloidal nanocrystals. The exciton dynamics were found to be independent of the extent of 2D confinement in these platelets, and this was supported by band structure calculations.

Hybrid halide perovskites represent one of the most promising solutions toward the fabrication of all solid nanostructured solar cells, with improved efficiency and long-term stability. This article aims at investigating the structural properties of iodide/chloride mixed-halide perovskites and correlating them with their photovoltaic performances. We found out that, independent of the components ratio in the precursor solution, Cl incorporation in an iodide-based structure, is possible only at relatively low concentration levels (below 3–4%). However, even if the material band gap remains substantially unchanged, the Cl doping dramatically improves the charge transport within the perovskite layer, explaining the outstanding performances of meso-superstructured solar cells based on this material.