[論文レビュー] Relativistic Solar Cells

Paolo Umari, Edoardo Mosconi+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2013

Perovskite Materials and Applications参考文献 24被引用数 759

ひとこと要約

本論文は、電子的・光学的・輸送的性質を高精度にモデル化するための効果的なGW法を提案し、スピン-軌道結合を組み込む。主な発見は、相対論的効果、特にスピン-軌道結合が、bandgapが狭いにもかかわらずCH3NH3PbI3の太陽電池性能がCH3NH3SnI3を上回る理由を完全に説明することである。

ABSTRACT

Hybrid AMX3 perovskites (A=Cs, CH3NH3; M=Sn, Pb; X=halide) have revolutionized the scenario of emerging photovoltaic technologies. Introduced in 2009 by Kojima et al., a rapid evolution very recently led to 15% efficient solar cells. CH3NH3PbI3 has so far dominated the field, while the similar CH3NH3SnI3 has not been explored for photovoltaic applications, despite the reduced band-gap. Replacement of Pb by the more environment-friendly Sn would facilitate the large uptake of perovskite-based photovoltaics. Despite the extremely fast progress, the materials electronic properties which are key to the photovoltaic performance are relatively little understood. Here we develop an effective GW method incorporating spin-orbit coupling which allows us to accurately model the electronic, optical and transport properties of CH3NH3SnI3 and CH3NH3PbI3, opening the way to new materials design. The different CH3NH3SnI3 and CH3NH3PbI3 properties are discussed in light of their exploitation for solar cells, and found to be entirely due to relativistic effects.

研究の動機と目的

• 太陽電池性能に不可欠なCH3NH3SnI3およびCH3NH3PbI3の電子的・光学的・輸送的性質を理解すること。
• 太陽電池効率の飛躍的進歩にもかかわらず、ハイブリッドペロブスカイトの基本的電子的性質に関する理解の不足を解消すること。
• bandgapが小さいにもかかわらずCH3NH3PbI3がCH3NH3SnI3を上回る太陽電池応用性能を示す理由を明らかにすること。
• これらの材料における相対論的効果を正確に捉えることができる信頼性の高い計算手法を開発すること。
• スピン-軌道結合および相対論的効果の役割を特定することで、将来の効率的で鉛フリーのペロブスカイト太陽電池の設計を可能にすること。

提案手法

• 本研究では、スピン-軌道結合を含む有効なGW法を用いて、電子構造的性質を計算する。
• GW法を用いて準粒子エネルギーを計算し、標準的DFTに内在する自己相互作用誤差を補正する。
• PbやSnのような重い元素における相対論的効果を反映させるために、スピン-軌道結合を明示的に組み込む。
• この手法により、bandgap、有効質量、光学吸収スペクトルの正確な予測が可能になる。
• CH3NH3SnI3およびCH3NH3PbI3の両方に対して計算を実施し、電子的および光学的応答を比較する。
• 特にCH3NH3PbI3に関しては、実験データと結果を比較することで手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CH3NH3SnI3およびCH3NH3PbI3の電子構造を決定づける要因としてのスピン-軌道結合の役割は何か？
• RQ2 bandgapが広いにもかかわらずCH3NH3PbI3がCH3NH3SnI3を上回る太陽電池性能を示す理由は何か？
• RQ3 相対論的効果が、これらのペロブスカイトのバンド配置、有効質量、および光学的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ4 スピン-軌道結合を含む正確なGW法は、ハイブリッドペロブスカイトの輸送および光学的挙動を信頼性高く予測できるか？
• RQ5 相対論的効果が、鉛系とスズ系ペロブスカイトの性能差をどの程度説明できるか？

主な発見

• GW法にスピン-軌道結合を組み込むことで、CH3NH3SnI3およびCH3NH3PbI3のbandgap予測精度が著しく向上する。
• 相対論的効果、特にスピン-軌道結合が、CH3NH3SnI3とCH3NH3PbI3の電子構造的差を支配している。
• スピン-軌道結合によるbandgapの低下効果は、CH3NH3PbI3のほうでCH3NH3SnI3よりも顕著であり、これが太陽電池効率の向上に寄与している。
• 強いスピン-軌道結合のおかげで、CH3NH3PbI3における電子の有効質量はCH3NH3SnI3よりも小さく、電荷輸送性が向上している。
• 光学吸収スペクトルの結果から、CH3NH3PbI3は可視領域での吸収がCH3NH3SnI3よりも強いことが判明し、主に相対論的効果に起因している。
• 本研究では、CH3NH3PbI3の優れた性能がbandgapの大小に起因するのではなく、根本的に相対論的電子的効果に起因していることが確認された。