[論文レビュー] Tuning Bandgap and Energy Stability of Organic-Inorganic Halide Perovskites through Surface Engineering

Rahul Singh, Prashant Singh+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 48被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、六方ボロンナイトライド（BN）単層膜でモノレイヤー酢酸メチルアンモニウム lead チューブ（MAPbI₃ML）をカプセル化することで、室温（300 K）でのエネルギー安定性（-25 meV）が達成され、可視光吸収が顕著な最適バンドギャップ約1.6 eVを実現することを示した（ピーク吸収係数：2.8 eVにおける4.9 × 10⁴ cm⁻¹）。BN-ML/MAPbI₃MLヘテロ構造は、強いPb–N結合に起因し、優れた安定性とチューナブルな電子輸送特性を示し、安定で高性能なオプトエレクトロニクス素子に最適である。

ABSTRACT

Organohalide perovskite with a variety of surface structures and morphologies have shown promising potential owing to the choice of the type of heterostructure dependent stability. We systematically investigate and discuss the impact of 2-dimensional molybdenum-disulphide (MoS2), molybdenum-diselenide (MoSe2), tungsten-disulphide (WS2), tungsten-diselenide (WSe2), boron- nitiride (BN) and graphene monolayers on band-gap and energy stability of organic-inorganic halide perovskites. We found that MAPbI3ML deposited on BN-ML shows room temperature stability (-25 meV~300K) with an optimal bandgap of ~1.6 eV. The calculated absorption coefficient also lies in the visible-light range with a maximum of 4.9 x 104 cm-1 achieved at 2.8 eV photon energy. On the basis of our calculations, we suggest that the encapsulation of an organic-inorganic halide perovskite monolayers by semiconducting monolayers potentially provides greater flexibility for tuning the energy stability and the bandgap.

研究の動機と目的

• 2次元材料と界面を形成するモノレイヤー有機・無機ハライドペロブスカイト（MAPbI₃ML）のエネルギー安定性および電子構造を調査すること。
• バンドギャップのチューニングと光学・電気的性能の向上を可能にする、最も安定した2次元ヘテロ構造の配置を同定すること。
• MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂、BN、グラフェンなどの異なる2次元材料が、MAPbI₃MLの熱力学的安定性および電子的性質に与える影響を評価すること。
• 太陽電池および熱電素子への応用を想定し、安定で高性能なペロブスカイトベースヘテロ構造を設計するための基礎的原則を提示すること。

提案手法

• PBE交換相関関数およびPAW基底を用いたVASPパッケージを用いた密度汎関数理論（DFT）計算。
• エネルギーおよび力の収束閾値をそれぞれ10⁻⁵ eVおよび0.01 eV/Åに設定した幾何最適化および電子構造計算。
• X-ML/MAPbI₃MLヘテロ構造（X = MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂, BN, グラフェン）の熱力学的安定性を評価するための結合エネルギー計算。
• 周波数依存誘電率行列を用いた光学的性質の計算（70 kポイントのガンマ中心kメッシュを用い）。
• VASPと連携したBoltzTrapを用いた輸送および熱電特性の計算（正確な微分計算のため70,000 kポイントのメッシュを用い）。
• BN-ML/MAPbI₃MLにおける異方的キャリア輸送を評価するため、バンド構造、状態密度、有効質量テンソルの分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温（300 K）でモノレイヤーMAPbI₃MLのエネルギー安定性が最も高い2次元キャピング層はどれか？
• RQ2 BN、グラフェン、遷移金属ジ chalcogenides などの2次元材料の選択が、MAPbI₃MLのバンドギャップおよび光学的吸収にどのように影響するか？
• RQ3 BN-ML/MAPbI₃ML界面における界面化学結合（例：Pb–N結合）がペロブスカイトモノレイヤーの安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 BN-ML/MAPbI₃MLにおける有効質量およびキャリア輸送の異方性が、そのオプトエレクトロニクス的性能に与える影響は何か？
• RQ5 BN-ML/MAPbI₃MLの熱電力因子は、キャリア濃度および温度の変化に応じてどのように変化するか？

主な発見

• BN-ML/MAPbI₃MLヘテロ構造は、全研究対象の2次元ペロブスカイトヘテロ構造の中で最高のエネルギー安定性を示し、結合エネルギーは-25 meVであり、300 Kにおける室温安定性に相当する。
• BN-ML/MAPbI₃MLのバンドギャップは約1.6 eVにチューニングされており、単接合ペロブスカイト太陽電池の最適範囲内にある。
• 2.8 eVの光子エネルギーにおける吸収係数は最大4.9 × 10⁴ cm⁻¹に達し、太陽電池応用に適した顕著な可視光吸収を示している。
• BN-ML/MAPbI₃MLにおける有効質量テンソルは異方的であり、x方向に高い値を示しており、これはy方向に高いホール移動度があることを示唆している。
• BN-ML/MAPbI₃MLの熱電力因子は、温度およびキャリア濃度の上昇に伴いピークに達するが、高ドーピング領域ではSeebeck係数の低下により減少する。
• BN界面における特徴的なPb–N結合は、周期的 Pb(I₅N) 八面体を形成し、BN-ML/MAPbI₃MLにおける安定性向上の主な化学的要因であると同定された。