The synthesis, crystal growth, and structural and optoelectronic characterization has been carried out for the perovskite compound CsPbBr3. This compound is a direct band gap semiconductor which meets most of the requirements for successful detection of X- and γ-ray radiation, such as high attenuation, high resistivity, and significant photoconductivity response, with detector resolution comparable to that of commercial, state-of-the-art materials. A structural phase transition which occurs during crystal growth at higher temperature does not seem to affect its crystal quality. Its μτ product for both hole and electron carriers is approximately equal. The μτ product for electrons is comparable to cadmium zinc telluride (CZT) and that for holes is 10 times higher than CZT.

Perovskite solar cells (PSCs) exceeding a power conversion efficiency (PCE) of 20% have mainly been demonstrated by using mesoporous titanium dioxide (mp-TiO2) as an electron-transporting layer. However, TiO2 can reduce the stability of PSCs under illumination (including ultraviolet light). Lanthanum (La)-doped BaSnO3 (LBSO) perovskite would be an ideal replacement given its electron mobility and electronic structure, but LBSO cannot be synthesized as well-dispersible fine particles or crystallized below 500°C. We report a superoxide colloidal solution route for preparing a LBSO electrode under very mild conditions (below 300°C). The PSCs fabricated with LBSO and methylammonium lead iodide (MAPbI3) show a steady-state power conversion efficiency of 21.2%, versus 19.7% for a mp-TiO2 device. The LBSO-based PSCs could retain 93% of their initial performance after 1000 hours of full-Sun illumination.

CsSnI3 is an unusual perovskite that undergoes complex displacive and reconstructive phase transitions and exhibits near-infrared emission at room temperature. Experimental and theoretical studies of CsSnI3 have been limited by the lack of detailed crystal structure characterization and chemical instability. Here we describe the synthesis of pure polymorphic crystals, the preparation of large crack-/bubble-free ingots, the refined single-crystal structures, and temperature-dependent charge transport and optical properties of CsSnI3, coupled with ab initio first-principles density functional theory (DFT) calculations. In situ temperature-dependent single-crystal and synchrotron powder X-ray diffraction studies reveal the origin of polymorphous phase transitions of CsSnI3. The black orthorhombic form of CsSnI3 demonstrates one of the largest volumetric thermal expansion coefficients for inorganic solids. Electrical conductivity, Hall effect, and thermopower measurements on it show p-type metallic behavior with low carrier density, despite the optical band gap of 1.3 eV. Hall effect measurements of the black orthorhombic perovskite phase of CsSnI3 indicate that it is a p-type direct band gap semiconductor with carrier concentration at room temperature of ∼ 1017 cm–3 and a hole mobility of ∼585 cm2 V–1 s–1. The hole mobility is one of the highest observed among p-type semiconductors with comparable band gaps. Its powders exhibit a strong room-temperature near-IR emission spectrum at 950 nm. Remarkably, the values of the electrical conductivity and photoluminescence intensity increase with heat treatment. The DFT calculations show that the screened-exchange local density approximation-derived band gap agrees well with the experimentally measured band gap. Calculations of the formation energy of defects strongly suggest that the electrical and light emission properties possibly result from Sn defects in the crystal structure, which arise intrinsically. Thus, although stoichiometric CsSnI3 is a semiconductor, the material is prone to intrinsic defects associated with Sn vacancies. This creates highly mobile holes which cause the materials to appear metallic.

Thermoelectric materials generate electric energy from waste heat, with conversion efficiency governed by the dimensionless figure of merit, ZT. Single-crystal tin selenide (SnSe) was discovered to exhibit a high ZT of roughly 2.2-2.6 at 913 K, but more practical and deployable polycrystal versions of the same compound suffer from much poorer overall ZT, thereby thwarting prospects for cost-effective lead-free thermoelectrics. The poor polycrystal bulk performance is attributed to traces of tin oxides covering the surface of SnSe powders, which increases thermal conductivity, reduces electrical conductivity and thereby reduces ZT. Here, we report that hole-doped SnSe polycrystalline samples with reagents carefully purified and tin oxides removed exhibit an ZT of roughly 3.1 at 783 K. Its lattice thermal conductivity is ultralow at roughly 0.07 W m-1 K-1 at 783 K, lower than the single crystals. The path to ultrahigh thermoelectric performance in polycrystalline samples is the proper removal of the deleterious thermally conductive oxides from the surface of SnSe grains. These results could open an era of high-performance practical thermoelectrics from this high-performance material.

The ternary compounds $\mathrm{CsPb}{X}_{3}$ ($X=\mathrm{Br}$ or Cl) have perovskite structures that are being considered for optical and electronic applications such as lasing and gamma-ray detection. An above-band-gap excitonic photoluminescence (PL) band is seen in both $\mathrm{CsPb}{X}_{3}$ compounds. An excitonic emission peak centered at 2.98 eV, $\ensuremath{\sim}0.1$ eV above the room-temperature band gap, is observed for $\mathrm{CsPbC}{\mathrm{l}}_{3}$. The thermal quenching of the excitonic luminescence is well described by a two-step quenching model, yielding activation energies of 0.057 and 0.0076 eV for high- and low-temperature regimes, respectively. $\mathrm{CsPbB}{\mathrm{r}}_{3}$ exhibits bound excitonic luminescence peaks located at 2.29 and 2.33 eV that are attributed to recombination involving Br vacancy centers. Activation energies for thermal quenching of the excitonic luminescence of 0.017 and 0.0007 eV were calculated for $\mathrm{CsPbB}{\mathrm{r}}_{3}$. Temperature-dependent PL experiments reveal unexpected blueshifts for all excitonic emission peaks in $\mathrm{CsPb}{X}_{3}$ compounds. A phonon-assisted step-up process leads to the blueshift in $\mathrm{CsPbB}{\mathrm{r}}_{3}$ emission, while there is a contribution from band-gap widening in $\mathrm{CsPbC}{\mathrm{l}}_{3}$. The absence of significant deep level defect luminescence in these compounds makes them attractive candidates for high-resolution, room-temperature radiation detection.

Significance Manipulation of electron spins is an important research subject to achieve breakthroughs in current electronics. The Rashba effect is the spin energy level splitting due to broken inversion symmetry and spin–orbit coupling, and the controllability of Rashba splitting is crucial to spin manipulation. Here, we report a theoretical investigation of Rashba band splitting in ferroelectric halide perovskite materials. Since the polarization direction in ferroelectric materials can be switched by external electric fields, Rashba splitting can be controlled conveniently in these materials. Interestingly, ferroelctric polarizations give rise to two distinct Rashba bands of contrasting orbital and spin characters. Taking advantage of the unique band characteristics, these materials prove promising candidates for the switchable Rashba effect.

Hybrid halide perovskites are emerging semiconducting materials, with a diverse set of remarkable optoelectronic properties. Besides the widely studied three-dimensional (3D) perovskites, two-dimensional (2D) perovskites show significant potential as photovoltaic (PV) active layers while exhibiting high moisture resistance. Here, we report two series of new 2D halide perovskite solid solutions: (HA)Pb1–xSnxI4 and (BZA)2Pb1–xSnxI4 (x = 1, 0.75, 0.5, 0.25, 0), where HA stands for the organic spacer histammonium and BZA stands for benzylammonium cations. These compounds are assembled by corner-sharing octahedral [MI6]4– units stabilizing single-layered, anionic, inorganic perovskite sheets with organic cations filled in between. The optical band gaps are heavily affected by the M–I–M perovksite angles with the band gap steadily decreasing when the angle approaches 180°, ranging from 2.18 eV for (BZA)2PbI4 to 2.05 eV for (HA)PbI4. We find an anomalous trend in electronic band gap in the mixed compositions (HA)Pb1–xSnxI4 and (BZA)2Pb1–xSnxI4. When Sn substitutes for Pb to form a solid solution, the band gap further decreases to 1.67 eV for (HA)SnI4. The minimum band gap is at x = 0.75 at 1.74 eV. For BZA, the irregular trend is more intense, as all the intermediate compounds (BZA)2Pb1–xSnxI4 (x = 0.75, 0.5, 0.25) have even slightly lower band gaps than (BZA)2SnI4 (1.89 eV). DFT calculations confirm the pure Pb and Sn compounds are direct band gap semiconductors. Relatively shorter photoluminescence (PL) lifetime in (BZA)2PbI4 than (HA)PbI4 is observed, suggesting faster recombination rates of the carriers. Solution deposited thin films of (HA)PbI4 and (BZA)2PbI4 show drastically different orientations with (HA)PbI4 displaying a perpendicular rather than parallel growth orientation with respect to the substrate, which is more favorable for PV devices. The higher potential in PV applications of the HA system is indicated by device performance, as the champion air stable planar device with the structure ITO/PEDOT:PSS/2D-perovskite/PCBM/Al of (HA)PbI4 achieves a preliminary power conversion efficiency (PCE) of 1.13%, featuring an open-circuit voltage (VOC) of 0.91 V.

Halide perovskite solar cells are a recent ground-breaking development achieving power conversion efficiencies exceeding 18%. This has become possible owing to the remarkable properties of the AMX3 perovskites, which exhibit unique semiconducting properties. The most efficient solar cells utilize the CH3NH3PbI3 perovskite whose band gap, Eg, is 1.55 eV. Even higher efficiencies are anticipated, however, if the band gap of the perovskite can be pushed deeper in the near-infrared region, as in the case of CH3NH3SnI3 (Eg = 1.3 eV). A remarkable way to improve further comes from the CH3NH3Sn1–xPbxI3 solid solution, which displays an anomalous trend in the evolution of the band gap with the compositions approaching x = 0.5 displaying lower band gaps (Eg ≈ 1.1 eV) than that of the lowest of the end member, CH3NH3SnI3. Here we use first-principles calculations to show that the competition between the spin–orbit coupling (SOC) and the lattice distortion is responsible for the anomalous behavior of the band gap in CH3NH3Sn1–xPbxI3. SOC causes a linear reduction as x increases, while the lattice distortion causes a nonlinear increase due to a composition-induced phase transition near x = 0.5. Our results suggest that electronic structure engineering can have a crucial role in optimizing the photovoltaic performance.

In Sn-based halide perovskite solar cells (PSCs), the oxidation of Sn2+ to Sn4+ under ambient air leads to unwanted p-type doping in the perovskite film, which is a main reason for increased background carrier density and low efficiency. Here, we find that the introduction of bromide into formamidinium tin iodide (CH(NH2)2SnI3, FASnI3) lattice significantly lowers the carrier density of perovskite absorber, which is thought to be a result of reduction of Sn vacancies. It reduces the leakage current of devices, increases recombination lifetime, and finally improves open-circuit voltage and fill factor of the resulting devices employing mesoporous TiO2 as an electron transport layer. Consequently, a high power conversion efficiency (PCE) of 5.5% is achieved with an average PCE of 5%, and after encapsulation the devices are highly stable over 1000 h under continuous one sun illumination including the ultraviolet region. This study suggests a simple approach for improving stability and efficiency in FASnI3-based PSCs.