[論文レビュー] Structural and optoelectronic properties of the inorganic perovskites AGeX3 (A = Cs, Rb; X = I, Br, Cl) for solar cell application

Un-Gi Jonga, Chol‐Jun Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、PBEsolおよびHSE06関数を用いた密度汎関数理論を用いて、無機ペロブスカイト AGeX₃（A = Cs, Rb；X = I, Br, Cl）の構造的および物性的特性を調査した。CsGeI₃およびRbGeI₃は、適切なバンドギャップ、強い可視光吸収、低い有効質量、中程度の励起子結合エネルギーを示すため、太陽電池の候補として有望である。

ABSTRACT

We predict the structural, electronic and optic properties of the inorganic Ge-based halide perovskites AGeX3 (A = Cs, Rb; X = I, Br, Cl) by using first-principles method. In particular, absolute electronic energy band levels are calculated using two different surface terminations of each compound, reproducing the experimental band alignment.

研究の動機と目的

• 太陽電池応用を目的として、無機 AGeX₃ペロブスカイト（A = Cs, Rb；X = I, Br, Cl）の構造的安定性および電子的特性を評価すること。
• バンドギャップ、吸収係数、キャリア有効質量に基づいて、AGeX₃ファミリーの中での最適な候補を特定すること。
• 表面スラブモデルとコアレベル基準を用いて絶対的電子状態エネルギーを推定し、正確なバンド整列を実現すること。
• スピン-軌道結合およびハイブリッド関数（HSE06）補正がバンドギャップおよび光学的特性を正確に予測する上で果たす影響を評価すること。

提案手法

• 構造最適化および電子構造計算には、PBEsol関数とプロジェクター付加重波（PAW）基底を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• バンドギャップの精度を向上させるために、HSE06ハイブリッド関数を適用し、PBE交換の20％を正確なハートリー＝フォック交換に置き換えた。
• 写真吸収係数は、密度汎関数摂動論（DFPT）から導かれた誘電関数を用いて計算した。
• ブリユアンゾーンのZ点近傍におけるエネルギー準位の曲率から、数値的に電子および正孔の有効質量を計算した。
• 励起子結合エネルギーは、還元有効質量と静的誘電率を用いた水素様モデルにより推定した。
• 絶対的エネルギー準位（VBMおよびCBM）は、表面スラブモデルからのGe 1sコア準位と真空準位を基準として決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのAGeX₃ペロブスカイト組成が、効率的な太陽光エネルギー変換に最適なバンドギャップを示すか？
• RQ2 写真吸収係数およびキャリア有効質量は、AGeX₃材料の太陽電池性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 スピン-軌道結合およびハイブリッド関数補正は、電子的バンド構造を正確に予測する上で果たす役割は何か？
• RQ4 価電子帯最大値および伝導帯最小値の絶対的エネルギー準位は、一般的な電子および正孔輸送層とどのようにバンド整列するか？

主な発見

• HSE06関数を用いることで、CsGeI₃およびRbGeI₃はそれぞれ約1.15–1.20 eVの直接的バンドギャップを示し、単接合太陽電池に適している。
• CsGeI₃の写真吸収係数は可視光領域で1×10⁵ cm⁻¹を超えており、強力な光吸収能力を示している。
• CsGeI₃における電子および正孔の有効質量は、それぞれ0.18mₑおよび0.22mₑであり、高いキャリア移動度を示唆している。
• CsGeI₃における励起子結合エネルギーは0.12 eVと推定され、効率的な電荷分離を促進するのに十分低い値である。
• CsGeI₃の絶対的価電子帯最大値（VBM）は真空基準で-5.82 eV、伝導帯最小値（CBM）は-4.62 eVと計算された。
• AXおよびGeX₂終端の表面スラブモデルにより、安定した表面構造が確認され、バルクの傾向と一貫したバンド整列が得られた。