[論文レビュー] Analysis of the structural characteristics and optoelectronic properties of CaTiO3 as a non-toxic raw material for solar cells: a DFT study

D. D. Nematov, Amondulloi Burhonzoda+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2022

Microwave Dielectric Ceramics Synthesis被引用数 6

ひとこと要約

このDFT研究では、太陽電池の非毒性候補としてのCaTiO3多形（α、β、γ相）の構造的および物性的性質を調査している。GGAおよびTB-mBJ近似を用いて、正方晶相が最も安定で、バンドギャップが3.26 eVであると特定された。一方、立方晶相は最も高い吸収係数と光電導度を示しており、広いバンドギャップにもかかわらず、太陽電池応用の可能性を示している。

ABSTRACT

Structural and optoelectronic properties of α, \{beta}, γ phases of calcium titanate are studied with the implementation of first-principles quantum-chemical calculations in the framework of DFT. When optimizing the geometry, the GGA approximation was used. The relaxed lattice parameters obtained by us are identical with the experimental analogs. It has been established that the most stable phase of calcium titanate is the orthorhombic syngony, which corresponds to the results of experimental measurements. It is shown that as the transition from the α-phase to the γ-phase proceeds, the lattice constant parameters and the interatomic distance in these systems increase. The optoelectronic properties of these materials have been studied using the Wien2k code. The high-precision TB-mBJ approximation was used to calculate the exchange-correlation effects. An analysis of the electronic properties of these materials showed that all the studied phases of calcium titanate belong to the class of wide-gap semiconductors. The calculated band gaps for the cubic, tetragonal, and orthorhombic CaTiO3 systems are 2.83, 3.07, and 3.26 eV, respectively. According to the analysis of DOS-plots, it was found that the tetragonal phase of calcium titanate is characterized by the highest density of states. Calculations of the optical constants of the systems under study showed that the CaTiO3 cubic system is characterized by an increased absorption capacity and a relatively high photoconductivity. However, for the other two phases of calcium titanate, the calculations gave identical patterns, i.e., the absorption and optical conductivity spectra of the tetragonal and orthorhombic CaTiO3 systems practically coincide.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、CaTiO3多形（α、β、γ）の構造的安定性および相転移を評価すること。
• CaTiO3の最も熱力学的に安定な相を特定し、実験データと比較して格子定数を検証すること。
• 全相にわたるバンドギャップおよび状態密度の分析を通じて、物性的性質を分析すること。
• CaTiO3が非毒性で広いバンドギャップを有する半導体として太陽電池応用に適しているかを評価すること。
• 異なる相における光学的性質、特に吸収係数および光電導度の比較分析を行うこと。

提案手法

• 構造最適化には、Wien2kコードを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、GGA近似を用いた。
• バンド構造計算における交換相関ポテンシャルの精度を向上させるために、TB-mBJ近似を適用した。
• 幾何最適化を実施し、各相の緩和された格子定数および原子間距離を決定した。
• 半導体的性質および電子遷移を分析するため、電子バンド構造および状態密度（DOS）を計算した。
• 誘電関数から得られる光学定数（吸収係数および光学的伝導度）を計算し、太陽電池応用の可能性を評価した。
• CaTiO3の立方晶（α）、テトラゴナル（β）、正方晶（γ）相の間で比較的分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DFT計算によると、CaTiO3のどの多形が最も熱力学的に安定であるか？
• RQ2 CaTiO3のα、β、γ相において、格子定数および原子間距離はどのように変化するか？
• RQ3 CaTiO3の立方晶、テトラゴナル、正方晶相のバンドギャップ値はそれぞれいくらか？実験値と比較するとどうなるか？
• RQ4 どの相がフェルミ準位付近で最も高い状態密度を示し、これはキャリア生成にどのような意味を持つのか？
• RQ5 特に可視光領域において、3相の光学的吸収および光電導度特性はどのように異なっているか？

主な発見

• CaTiO3の正方晶（γ）相が最も安定であり、格子定数は実験値とよく一致している。
• バンドギャップは立方晶（α）相で2.83 eV、テトラゴナル（β）相で3.07 eV、正方晶（γ）相で3.26 eVと増加している。
• テトラゴナル相はフェルミ準位付近で最も高い状態密度を示しており、キャリア輸送に寄与する電子状態が増強されていると考えられる。
• 立方晶相は最も高い吸収能力と比較的高い光電導度を示しており、太陽電池における光吸収能力に優れている可能性がある。
• テトラゴナル相および正方晶相の光学的吸収および光電導度スペクトルはほぼ同一であり、類似した物性的挙動を示している。
• 全3相とも広いバンドギャップ半導体に分類されるが、立方晶相が優れた光学的応答を示すため、太陽電池応用において最も有望である。