[論文レビュー] Electronic and optical properties of FeSe2 polymorphs: solar cell absorber

B. G. Ganga, C. Ganeshraj+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2013

Iron-based superconductors research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、核-保存擬ポ텐シャルを用いた密度汎関数理論を用いて、FeSe2多形（マーカサイトおよびピリトアイト）の電子的および光学的性質を調査した。両相ともに適切な間接バンドギャップ（それぞれ0.86 eVおよび0.67 eV）を示し、広い波長域における高い吸収係数と半導体的挙動を示しており、太陽電池吸収材としての強い可能性を示している。マーカサイト相は光学的異方性と混合イオン・共有結合性を示している。

ABSTRACT

Electronic and optical properties of semiconducting FeSe2 polymorphs (marcasite and pyrite) were evaluated using density functional theory with norm-conserving pseudopotential. Marcasite and pyrite of FeSe2 show indirect band gaps of 0.86 eV and 0.67 eV respectively. Absorption coefficient is high over a wide range of optical spectrum, indicating that these materials are exploitable as solar cell absorber. Marcasite FeSe2 is found to be optically anisotropic, whereas pyrite is isotropic. Mulliken Bond Population analysis shows mixed ionic-covalent nature of bonding for both polymorphs. Effective masses of electrons and holes were also calculated, which reinforce the semiconducting nature of FeSe2

研究の動機と目的

• 太陽電池応用を目的として、FeSe2のマーカサイトおよびピリトアイト多形の電子的および光学的性質を評価すること。
• バンド構造および光学応答に基づいて、FeSe2が太陽電池吸収材として適しているかどうかを特定すること。
• 両多形における結合性質および有効質量を分析し、半導体的挙動を評価すること。
• マーカサイト相とピリトアイト相の間での光学的異方性および電子的特性を比較すること。
• 薄膜太陽電池におけるFeSe2の実験的探求の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 核-保存擬ポテンシャルを用いた密度汎関数理論（DFT）を用いて、電子構造を計算した。
• DFT計算における交換相関関数に一般化勾配近似（GGA）を用いた。
• 直接・間接バンドギャップの特定のために、バンド構造および状態密度を計算した。
• 光吸収能力の評価のため、広い光学スペクトル範囲にわたる吸収係数を計算した。
• イオン的・共有結合性の特徴を特定するために、ミュリケン結合集積分析を実施した。
• キャリア移動度の評価のため、電子および正孔の有効質量を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マーカサイトおよびピリトアイトFeSe2多形の電子的バンド構造は何か？
• RQ2 FeSe2多形の太陽スペクトル全域における光学的吸収応答は何か？
• RQ3 両FeSe2多形間で、結合性質（イオン的・共有的性質）にどのような差異があるか？
• RQ4 両多形は光学的に等方的か、異方的か？
• RQ5 FeSe2における電子および正孔の有効質量は何か？また、それらはキャリア移動度にどのような意味を持つか？

主な発見

• マーカサイトFeSe2は0.86 eVの間接バンドギャップを示し、ピリトアイトFeSe2は0.67 eVのより小さい間接バンドギャップを示す。
• 両多形とも、広い波長範囲にわたり高い吸収係数を示しており、強力な光吸収能力を有している。
• マーカサイトFeSe2は光学的に異方的であるが、ピリトアイトFeSe2は等方的な光学的応答を示す。
• ミュリケン結合集積分析により、両多形ともに混合イオン的・共有的結合性質が確認された。
• 計算された有効質量は、FeSe2の半導体的性質を支持しており、キャリア輸送の可能性と整合的である。
• 適切なバンドギャップ、強力な吸収、および有利な電子的性質の組み合わせにより、FeSe2は薄膜太陽電池用の有望な吸収材であると位置づけられる。