[논문 리뷰] A First-principles study on ABBr3 (A = Cs, Rb, K, Na; B = Ge, Sn) halide perovskites for photovoltaic applications

Dibyajyoti Saikia, Mahfooz Alam외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 03.

Perovskite Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 태양전지 응용을 위한 수은-free 후보로 ABBr₃ (A = Cs, Rb, K, Na; B = Ge, Sn) 할라이드 퍼보스카이트를 조사한다. 모든 화합물이 1.10~1.97 eV 사이의 직접 밴드 갭을 가지며, 자외선-가시광선 영역 전체에서 강한 광학적 흡수(>10⁵ cm⁻¹)를 보임을 확인하여 효율적인 태양 에너지 변환 가능성이 매우 높음을 시사한다.

ABSTRACT

In recent years, halide perovskite-based solar cells have received intensive attention, and demonstrated power conversion efficiency as high as 25.8%. With regard to the toxicity of Pb and the instability of organic elements, all inorganic lead-free perovskites (ILPs) have been extensively studied to achieve comparable or greater photovoltaic performance. In order to develop ILPs as an alternative for solar cell applications, we performed first-principles calculations of ABBr3 perovskites (A = Cs, Rb, K, and Na, and B = Sn, and Ge). Structural, electronic, and optical properties were systematically studied to probe the potentiality in photovoltaic applications. All these ILPs exhibited a direct bandgap in the range of 1.10 to 1.97 eV, highly beneficial for absorbing solar energy. Furthermore, these ILPs demonstrated significant optical absorption (over 105 cm-1) in the whole UV-Vis spectrum. These results will be helpful for designing highly efficient lead-free perovskite solar cells.

연구 동기 및 목표

• 모든 무기 수은-free ABBr₃ 퍼보스카이트의 구조적, 전자적, 광학적 성질을 태양전지 용도로 평가하기.
• 독성과 안정성 문제로 인해 제한되는 수은 기반 퍼보스카이트의 문제점을 해결하기 위해 실현 가능한 Pb-free 대체재를 식별하기.
• A-위치(Cs, Rb, K, Na) 및 B-위치(Ge, Sn) 치환의 영향을 체계적으로 평가하여 옵티오일렉트로닉 성능에 미치는 영향 분석하기.
• 고효율 태양전지를 위한 적합한 밴드 갭과 강한 빛 흡수 성질을 갖춘 유망한 후보자 식별하기.

제안 방법

• 자기상호작용 오차를 보정하기 위해 일반화된 기울기 근사(GGA)와 DFT+U 방법을 사용한 밀도함수이론(DFT) 계산을 시행하였다.
• 균형 격자 상수와 원자 위치를 결정하기 위해 구조 최적화를 수행하였다.
• 밴드 갭의 성질과 전자적 특성을 분석하기 위해 전자 구조 및 상태 밀도를 계산하였다.
• 전자 구조 계산에서 유도된 유전율 함수를 기반으로 광학적 흡수 계수를 계산하였다.
• 고대칭 점에서의 밴드 구조를 기반으로 밴드 갭의 직접성 또는 간접성 분석을 수행하였다.
• 태양 에너지 수확 잠재력을 평가하기 위해 자외선-가시광선 영역 전체에서 흡수 경계와 강도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 A 및 B 이온을 가진 ABBr₃ 퍼보스카이트의 구조적 안정성과 균형 격자 상수는 무엇인가?
• RQ2 이 ABBr₃ 퍼보스카이트는 직접 밴드 갭인지 간접 밴드 갭인지이며, 밴드 갭 에너지의 범위는 무엇인가?
• RQ3 태양 스펙트럼 전반에서 광학적 흡수 강도는 얼마나 강한가, 특히 자외선-가시광선 영역에서 어떻게 되는가?
• RQ4 어떤 A-위치 및 B-위치 조합이 태양전지 응용에서 가장 유리한 옵티오일렉트로닉 성질을 나타내는가?
• RQ5 이 모든 무기 수은-free 퍼보스카이트는 핵심 태양전지 지표에서 수은 기반 대체품과 비교해도 성능을 충족하거나 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 분석된 ABBr₃ 퍼보스카이트는 1.10 eV~1.97 eV 사이의 직접 밴드 갭을 가지며, 효율적인 태양 에너지 흡수에 매우 적합하다.
• 전체 자외선-가시광선 스펙트럼에서 광학적 흡수 계수가 10⁵ cm⁻¹를 초과하여 강력한 광자 흡수 능력을 보인다.
• CsSnBr₃와 RbSnBr₃는 1.10–1.20 eV 근처에서 특히 유리한 밴드 갭을 보이며, 단일 접합 태양전지의 이상적인 범위에 가까워진다.
• Ge 기반 퍼보스카이트(예: CsGeBr₃)는 넓은 밴드 갭(1.60–1.97 eV)을 가지며, 투명 전도성 또는 타임레일 전지의 상부 셀 응용에 적합하다.
• 전자 구조 분석을 통해 Br-p 오비탈과 B-위치의 p 오비탈 간 강한 하이브리드화가 존재함을 확인하여 유리한 전하 이동 성질에 기여한다.
• 결과적으로 이 모든 무기 수은-free 퍼보스카이트는 최적의 밴드 갭과 높은 흡수 계수를 바탕으로 차세대 태양전지 장치에 매우 유망한 후보임을 입증하였다.