[論文レビュー] Mechanochemical Synthesis of the Lead-Free Double Perovskite Cs2[AgIn]Br6 and its Optical Properties

Joachim Breternitz, S. Levcenko+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2018

Perovskite Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、鉛フリーの二重ペロブスカイト Cs2[AgIn]Br6 の機械化学的合成経路を示した。この化合物は、格子定数が 11.00 Å のエルパソライト型構造に結晶化する。2.36 eV の大きな光学的バンドギャップと、光照射下での不安定性を示すが、スケーラブルで溶媒を用いないプロセスにより、太陽電池用途向けに持続可能な鉛フリーペロブスカイト材料の開発が可能になる。

ABSTRACT

Hitting hard on the binary halides yields in the formation of Cs2[AgIn]Br6. The lead-free double perovskite marks, although not usable itself, a further step forward in finding sustainable and durable perovskite materials for photovoltaic applications. Cs2[AgIn]Br6 is one of the prominent examples of double perovskites materials that have been suggested to circumvent the use of lead compounds in perovskite solar cells. We herein report the successful synthesis of the material using a mechanochemical approach. It crystallizes in an elpasolite-type structure, an ordered perovskite superstructure, with a cell parameter of a = 11.00 {\\AA}. However, the compound exhibits a relatively large optical bandgap of 2.36 eV and is unstable under illumination, which impedes its use as solar absorber material at this early stage. Still, substitution of lead and the potential of this synthesis method are promising as well as the fruitful combination of theoretical considerations with experimental materials discovery.

研究の動機と目的

• 太陽電池用途における鉛含有ペロブスカイトの代替として、鉛フリーの二重ペロブスカイト材料を開発すること。
• 鉛含有ペロブスカイトに伴う環境的および安定性の問題を克服すること。
• スケーラブルで溶媒を用いない方法として、機械化学的合成をペロブスカイト材料のプロダクションに活用することの可能性を調査すること。
• 太陽エネルギー変換への応用を想定した Cs2[AgIn]Br6 の構造的および光学的特性を評価すること。

提案手法

• CsBr、AgBr、InBr3 の二価ハライドを高エネルギーボールミリングにより機械化学的合成する。
• 溶媒を用いずに固体反応を誘発するためのプレナリーボールミルの使用。
• X線回折（XRD）を用いた構造的特徴付けにより、エルパソライト型ペロブスカイト構造の確認。
• 格子定数の精緻化により、単位格子サイズが 11.00 Å であると特定。
• 紫外可視分光法を用いた光学的バンドギャップの測定により、太陽電池への応用可能性を評価。
• 光照射下での安定性試験により、光分解挙動を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶媒を用いずに機械化学的経路により Cs2[AgIn]Br6 が効果的に合成可能であるか？
• RQ2 合成された Cs2[AgIn]Br6 の結晶構造と格子定数は何か？
• RQ3 Cs2[AgIn]Br6 の光学的バンドギャップは何か？ また、理想的な太陽電池吸収体と比較してどうか？
• RQ4 Cs2[AgIn]Br6 は長時間の光照射下で安定か？
• RQ5 機械化学的合成は、従来の溶液系ペロブスカイト合成に代わる実用的でスケーラブルな代替手段として成立するか？

主な発見

• Cs2[AgIn]Br6 は機械化学的プロセスにより効果的に合成され、溶媒を用いないペロブスカイト形成の可能性が裏付けられた。
• 化合物は、格子定数が 11.00 Å の秩序高いエルパソライト型構造に結晶化する。
• 材料は比較的大きな光学的バンドギャップ（2.36 eV）を示し、可視光吸収体としての可能性が制限される。
• 光照射下で不安定性を示し、太陽電池用途における良好な光安定性が得られないことが判明した。
• 機械化学的アプローチは、鉛フリー二重ペロブスカイトを合成するための有望で環境に優しいルートを提供する。
• 理論的設計と実験的検証の組み合わせにより、今後の材料発見のための実現可能な道筋が示された。