Exploratory synthesis in novel chemical spaces is the essence of solid-state chemistry. However, uncharted chemical spaces can be difficult to navigate, especially when materials synthesis is challenging. Nitrides represent one such space, where stringent synthesis constraints have limited the exploration of this important class of functional materials. Here, we employ a suite of computational materials discovery and informatics tools to construct a large stability map of the inorganic ternary metal nitrides. Our map clusters the ternary nitrides into chemical families with distinct stability and metastability, and highlights hundreds of promising new ternary nitride spaces for experimental investigation--from which we experimentally realized 7 new Zn- and Mg-based ternary nitrides. By extracting the mixed metallicity, ionicity, and covalency of solid-state bonding from the DFT-computed electron density, we reveal the complex interplay between chemistry, composition, and electronic structure in governing large-scale stability trends in ternary nitride materials.

The performance of three-dimensional (3D) organic-inorganic halide perovskite solar cells (PSCs) can be enhanced through surface treatment with 2D layered perovskites that have efficient charge transport. We maximized hole transport across the layers of a metastable Dion-Jacobson (DJ) 2D perovskite that tuned the orientational arrangements of asymmetric bulky organic molecules. The reduced energy barrier for hole transport increased out-of-plane transport rates by a factor of 4 to 5, and the power conversion efficiency (PCE) for the 2D PSC was 4.9%. With the metastable DJ 2D surface layer, the PCE of three common 3D PSCs was enhanced by approximately 12 to 16% and could reach approximately 24.7%. For a triple-cation–mixed-halide PSC, 90% of the initial PCE was retained after 1000 hours of 1-sun operation at ~40°C in nitrogen.

The study of thermoelectric materials spans condensed matter physics, materials science and engineering, and solid-state chemistry. The diversity of the participants and the inherent complexity of the topic mean that it is difficult, if not impossible, for a researcher to be fluent in all aspects of the field. This review, which grew out of a one-week summer school for graduate students, aims to provide an introduction and practical guidance for selected conceptual, synthetic, and characterization approaches and to craft a common umbrella of language, theory, and experimental practice for those engaged in the field of thermoelectric materials. This review does not attempt to cover all major aspects of thermoelectric materials research or review state-of-the-art thermoelectric materials. Rather, the topics discussed herein reflect the expertise and experience of the authors. We begin by discussing a universal approach to modeling electronic transport using Landauer theory. The core sections of the review are focused on bulk inorganic materials and include a discussion of effective strategies for powder and single crystal synthesis, the use of national synchrotron sources to characterize crystalline materials, error analysis, and modeling of transport data using an effective mass model, and characterization of phonon behavior using inelastic neutron scattering and ultrasonic speed of sound measurements. The final core section discusses the challenges faced when synthesizing carbon-based samples and the measuring or interpretation of their transport properties. We conclude this review with a brief discussion of some of the grand challenges and opportunities that remain to be addressed in the study of thermoelectrics.

CsPbI3 nanocrystals with narrow size distributions were prepared to study the size-dependent properties. The nanocrystals adopt the perovskite (over the nonperovskite orthorhombic) structure with improved stability over thin-film materials. Among the perovskite phases (cubic α, tetragonal β, and orthorhombic γ), the samples are characterized by the γ phase, rather than α, but may have a size-dependent average tilting between adjacent octahedra. Size-dependent lattice constants systematically vary 3% across the size range, with unit cell volume increasing linearly with the inverse of size to 2.1% for the smallest size. We estimate the surface energy to be from −3.0 to −5.1 eV nm–2 for ligated CsPbI3 nanocrystals. Moreover, the size-dependent bandgap is best described using a nonparabolic intermediate confinement model. We experimentally determine the bulk bandgap, effective mass, and exciton binding energy, concluding with variations from the bulk α-phase values. This provides a robust route to understanding γ-phase properties of CsPbI3.

The development of highly stable and efficient wide-bandgap (WBG) perovskite solar cells (PSCs) based on bromine-iodine (Br-I) mixed-halide perovskite (with Br greater than 20%) is critical to create tandem solar cells. However, issues with Br-I phase segregation under solar cell operational conditions (such as light and heat) limit the device voltage and operational stability. This challenge is often exacerbated by the ready defect formation associated with the rapid crystallization of Br-rich perovskite chemistry with antisolvent processes. We combined the rapid Br crystallization with a gentle gas-quench method to prepare highly textured columnar 1.75-electron volt Br-I mixed WBG perovskite films with reduced defect density. With this approach, we obtained 1.75-electron volt WBG PSCs with greater than 20% power conversion efficiency, approximately 1.33-volt open-circuit voltage (Voc), and excellent operational stability (less than 5% degradation over 1100 hours of operation under 1.2 sun at 65°C). When further integrated with 1.25-electron volt narrow-bandgap PSC, we obtained a 27.1% efficient, all-perovskite, two-terminal tandem device with a high Voc of 2.2 volts.

The light-emitting diodes (LEDs) used in indoor testing of perovskite solar cells do not expose them to the levels of ultraviolet (UV) radiation that they would receive in actual outdoor use. We report degradation mechanisms of p-i-n-structured perovskite solar cells under unfiltered sunlight and with LEDs. Weak chemical bonding between perovskites and polymer hole-transporting materials (HTMs) and transparent conducting oxides (TCOs) dominate the accelerated A-site cation migration, rather than direct degradation of HTMs. An aromatic phosphonic acid, [2-(9-ethyl-9H-carbazol-3-yl)ethyl]phosphonic acid (EtCz3EPA), enhanced bonding at the perovskite/HTM/TCO region with a phosphonic acid group bonded to TCOs and a nitrogen group interacting with lead in perovskites. A hybrid HTM of EtCz3EPA with strong hole-extraction polymers retained high efficiency and improved the UV stability of perovskite devices, and a champion perovskite minimodule-independently measured by the Perovskite PV Accelerator for Commercializing Technologies (PACT) center-retained operational efficiency of >16% after 29 weeks of outdoor testing.