[論文レビュー] Intrinsic defect properties in halide double perovskites for optoelectronic applications

Tianshu Li, Xingang Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、 lead-free 卤化物デュアルペロブスカイト (A2AgInCl6, A2AgBiCl6, A2AgBiBr6) の内部欠陥特性を調査し、光エレクトロニクス応用のための欠陥工学を支援する。トラップ状態を最小限に抑える最適な成長条件を同定し、p型または半絶縁性の挙動を実現することで、効率的な太陽電池および放射線検出デバイスに適した低欠陥密度を達成する。

ABSTRACT

Lead-free halide double perovskites with the formula of quaternary A$_2^+$B'B'$^{3+}$X$_6^-$ have recently attracted intense interest as alternatives to lead-halide-perovskite-based optoelectronic materials for their non-toxicity and enhanced chemical and thermodynamic stability. However, the understanding of intrinsic defect properties and their effects on carrier transport and Fermi level tuning is still limited. In this paper, we show that, by exploring the phase diagram of a halide double perovskite, one can control the effects of intrinsic defects on carrier trapping and Fermi level pinning. We reveal the ideal growth conditions to grow p-type Cs$_2$AgInCl$_6$ and Cs$_2$AgBiCl$_6$ as well as semi-insulating Cs$_2$AgBiBr$_6$ with low trap density for targeted photovoltaic or visible-light/radiation detection application.

研究の動機と目的

• lead-free ハライドデュアルペロブスカイトにおける内部欠陥の役割を、光エレクトロニクス応用の観点から理解すること。
• キャリア輸送およびフェルミ準位ピンナップに与える欠陥特性の影響についての理解が不足している現状に応じ、その解明を行うこと。
• 欠陥誘発キャリア捕集およびフェルミ準位ピンナップを最小限に抑える成長条件を同定すること。
• 太陽電池または可視光／放射線検出応用のための Cs2AgInCl6、Cs2AgBiCl6、および Cs2AgBiBr6 の標的設計を可能にすること。
• 相図に基づく欠陥行動の制御を確立し、材料の安定性および性能を向上させること。

提案手法

• 内部欠陥の生成エネルギーおよび遷移準位を計算するために、第一原理密度汎関数理論 (DFT) を用いた計算を実施した。
• 化学ポテンシャルの変動に応じたハライドデュアルペロブスカイトの相図をマッピングし、安定な欠陥構成を予測した。
• Cs2AgInCl6、Cs2AgBiCl6、および Cs2AgBiBr6 における欠陥準位およびフェルミ準位ピンナップとキャリア捕集への影響を分析した。
• フェルミ準位および化学ポテンシャルの関数としての欠陥濃度を評価し、最適な成長条件を同定した。
• 電荷遷移準位分析を用いて、欠陥がp型および半絶縁性挙動に与える影響を評価した。
• 実験的成長パラメータと欠陥熱力学を関連付け、低トラップ密度の合成を支援する指針を提供した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハライドデュアルペロブスカイトにおける内部欠陥がキャリア輸送およびフェルミ準位ピンナップに与える影響は何か？
• RQ2 異なる成長条件下での主要な欠陥種別およびその生成エネルギーは何か？
• RQ3 デュアルペロブスカイトの相図をどのように用いて欠陥特性を制御し、トラップ状態を最小限に抑えることができるか？
• RQ4 Cs2AgInCl6 および Cs2AgBiCl6 において、p型または半絶縁性挙動を達成するための化学ポテンシャル条件は何か？
• RQ5 Cs2AgBiBr6 において、放射線検出応用に適した低トラップ密度を実現する欠陥構成は何か？

主な発見

• 本研究では、AgおよびBiの陽イオン空位が、Cs2AgInCl6およびCs2AgBiCl6における主要な内部欠陥であることが同定され、生成エネルギーが化学ポテンシャルに強く依存することが明らかになった。
• Cs2AgInCl6およびCs2AgBiCl6では、Agが過剰な条件下でp型挙動が実現可能であり、フェルミ準位が価電子帯最大付近にピンナップすることが示された。
• Cs2AgBiBr6では、Agが過剰な条件下でAg空位の生成が抑制され、低トラップ密度の半絶縁性挙動が達成可能である。
• 相図分析から、AgおよびClが過剰な条件下での成長が、深レベルトラップを最小限に抑え、欠陥生成を抑制することが明らかになった。
• 最適な成長条件下では、欠陥濃度が 10^14 cm⁻³ 未満に予測され、高性能な光エレクトロニクスデバイスに適していることが示された。
• 本結果は、デュアルペロブスカイトにおける欠陥工学のためのロードマップを提供しており、相図制御によって電子的性質を標的的に調整可能であることを示している。