[論文レビュー] A First-principles study on ABBr3 (A = Cs, Rb, K, Na; B = Ge, Sn) halide perovskites for photovoltaic applications

Dibyajyoti Saikia, Mahfooz Alam+4 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Perovskite Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

この第一原理的研究では、太陽電池応用のための鉛フリー候補として、ABBr₃（A = Cs, Rb, K, Na；B = Ge, Sn）ハライドペロブスカイトを調査している。すべての化合物が1.10〜1.97 eVの直接的なバンドギャップを示し、紫外可視領域全体で10⁵ cm⁻¹を超える強い光吸収を示しており、効率的な太陽光エネルギー変換の可能性が非常に高いことが明らかになった。

ABSTRACT

In recent years, halide perovskite-based solar cells have received intensive attention, and demonstrated power conversion efficiency as high as 25.8%. With regard to the toxicity of Pb and the instability of organic elements, all inorganic lead-free perovskites (ILPs) have been extensively studied to achieve comparable or greater photovoltaic performance. In order to develop ILPs as an alternative for solar cell applications, we performed first-principles calculations of ABBr3 perovskites (A = Cs, Rb, K, and Na, and B = Sn, and Ge). Structural, electronic, and optical properties were systematically studied to probe the potentiality in photovoltaic applications. All these ILPs exhibited a direct bandgap in the range of 1.10 to 1.97 eV, highly beneficial for absorbing solar energy. Furthermore, these ILPs demonstrated significant optical absorption (over 105 cm-1) in the whole UV-Vis spectrum. These results will be helpful for designing highly efficient lead-free perovskite solar cells.

研究の動機と目的

• 太陽電池用途のための全無機的鉛フリーABBr₃ペロブスカイトの構造的・電子的・光学的性質を評価すること。
• 毒性および不安定性といったリチウム含有ペロブスカイトの限界を克服するため、実用的な Pb フリー代替材料を同定すること。
• A サイト（Cs, Rb, K, Na）および B サイト（Ge, Sn）のカチオン置換がオプトエレクトロニクス性能に与える影響を体系的に評価すること。
• 高効率太陽電池に適した適切なバンドギャップと強い光吸収を示す、有望な候補を特定すること。

提案手法

• 自己相互作用誤差を補正するため、一般化勾配近似（GGA）および DFT+U 法を用いた密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 平衡格子定数および原子位置を特定するため、構造最適化を実行した。
• バンド構造および状態密度を計算し、バンドギャップの性質および電子的特性を分析した。
• 電子構造計算から得た誘電関数を基に、光学的吸収係数を計算した。
• 高対称点におけるバンド構造に基づき、バンドギャップの直接的または間接的性質を分析した。
• 太陽光エネルギー収集の可能性を評価するため、紫外可視領域全体における吸収端および吸収強度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる A カチオンおよび B カチオンを有する ABBr₃ ペロブスカイトの構造的安定性および平衡格子定数は何か？
• RQ2 これらの ABBr₃ ペロブスカイトは直接的または間接的バンドギャップを示すか？バンドギャップエネルギーの範囲は何か？
• RQ3 太陽スペクトル、特に紫外可視領域において、光学的吸収はどの程度強いのか？
• RQ4 どの A サイトおよび B サイトの組み合わせが太陽電池応用において最も望ましいオプトエレクトロニクス特性を示すか？
• RQ5 これらの全無機的鉛フリーペロブスカイトは、主な太陽電池指標においてリチウム含有対応物と同等またはそれを上回る性能を示せるか？

主な発見

• 調査されたすべての ABBr₃ ペロブスカイトは直接的バンドギャップを示し、その値は1.10 eV から1.97 eV の範囲にあり、効率的な太陽光エネルギー吸収に非常に適している。
• 全紫外可視スペクトル領域で光学的吸収係数が10⁵ cm⁻¹を超えており、強い光子吸収能力を示している。
• CsSnBr₃ および RbSnBr₃ は特に1.10–1.20 eV の良好なバンドギャップを示し、単接合型太陽電池の理想範囲に近い。
• Geを含むペロブスカイト（例：CsGeBr₃）は、1.60–1.97 eV の広いバンドギャップを示しており、タンドムまたはトップセル用途に適している。
• 電子構造解析により、Br-p軌道と B サイトの p 軌道の強い混合が確認され、良好な電荷輸送特性に寄与している。
• これらの全無機的鉛フリーペロブスカイトは、最適なバンドギャップと高い吸収係数を有しており、次世代太陽電池デバイスの有望な候補であることが示された。