[논문 리뷰] Analysis of the structural characteristics and optoelectronic properties of CaTiO3 as a non-toxic raw material for solar cells: a DFT study

D. D. Nematov, Amondulloi Burhonzoda외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 26.

Microwave Dielectric Ceramics Synthesis인용 수 6

한 줄 요약

이 DFT 연구는 태양전지용 비독성 후보로써 CaTiO3 다형체(α, β, γ 상)의 구조적 및 옹전자성 성질을 조사한다. GGA 및 TB-mBJ 근사법을 사용하여 온스퍼틱 상이 가장 안정적이며, 밴드 갭이 3.26 eV임을 규명하였고, 입체상은 가장 높은 흡수 및 광전도도를 보이며, 넓은 밴드 갭에도 불구하고 광발전 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Structural and optoelectronic properties of α, \{beta}, γ phases of calcium titanate are studied with the implementation of first-principles quantum-chemical calculations in the framework of DFT. When optimizing the geometry, the GGA approximation was used. The relaxed lattice parameters obtained by us are identical with the experimental analogs. It has been established that the most stable phase of calcium titanate is the orthorhombic syngony, which corresponds to the results of experimental measurements. It is shown that as the transition from the α-phase to the γ-phase proceeds, the lattice constant parameters and the interatomic distance in these systems increase. The optoelectronic properties of these materials have been studied using the Wien2k code. The high-precision TB-mBJ approximation was used to calculate the exchange-correlation effects. An analysis of the electronic properties of these materials showed that all the studied phases of calcium titanate belong to the class of wide-gap semiconductors. The calculated band gaps for the cubic, tetragonal, and orthorhombic CaTiO3 systems are 2.83, 3.07, and 3.26 eV, respectively. According to the analysis of DOS-plots, it was found that the tetragonal phase of calcium titanate is characterized by the highest density of states. Calculations of the optical constants of the systems under study showed that the CaTiO3 cubic system is characterized by an increased absorption capacity and a relatively high photoconductivity. However, for the other two phases of calcium titanate, the calculations gave identical patterns, i.e., the absorption and optical conductivity spectra of the tetragonal and orthorhombic CaTiO3 systems practically coincide.

연구 동기 및 목표

• 첫 번째 원리 계산을 통해 CaTiO3 다형체(α, β, γ)의 구조적 안정성과 상 전이를 평가하기 위해.
• CaTiO3의 가장 열역학적으로 안정된 상을 규명하고, 실험 데이터와 비교하여 격자 상수를 분석하기 위해.
• 모든 상에서의 밴드 갭 및 밀도 상태 분포를 포함한 옹전자성 성질을 분석하기 위해.
• CaTiO3가 태양전지 응용을 위한 비독성, 넓은 밴드 갭 반도체로서의 잠재력을 평가하기 위해.
• 다른 상들 간의 광학적 성질, 특히 흡수 및 광전도도를 비교하기 위해.

제안 방법

• 구조 최적화를 위해 Wien2k 코드를 사용한 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였으며, GGA 근사를 사용하였다.
• 밴드 구조 계산에서 교환-상관 포텐셜의 정확도를 향상시키기 위해 TB-mBJ 근사를 적용하였다.
• 각 상의 안정화된 격자 상수와 원자 간 거리를 결정하기 위해 기하학적 최적화를 수행하였다.
• 반도체 성질과 전자 전이를 분석하기 위해 전자 밴드 구조 및 밀도 상태(DOS)를 계산하였다.
• 광전도 잠재력을 평가하기 위해 유전율 함수에서 유도된 광학 상수, 즉 흡수 계수 및 광학 전도도를 계산하였다.
• CaTiO3의 입체상(α), 테트라고널 상(β), 온스퍼틱 상(γ) 간 비교 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DFT 계산에 따르면 CaTiO3의 어떤 다형체가 가장 열역학적으로 안정한가?
• RQ2 CaTiO3의 α, β, γ 상 간 격자 상수와 원자 간 거리는 어떻게 달라지나?
• RQ3 CaTiO3의 입체상, 테트라고널 상, 온스퍼틱 상의 밴드 갭 값은 얼마이며, 실험 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 어느 상이 패리미 에너지 수준 근처에서 가장 높은 밀도 상태를 보이며, 이는 전하 운반자 생성에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 세 상 간의 광학적 흡수 및 광전도도 성질은 어떻게 다름가, 특히 가시광선 범위에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 온스퍼틱(γ) 상의 CaTiO3가 가장 안정적이며, 실험 값과 밀접하게 일치하는 격자 상수를 가진다.
• 밴드 갭은 입체상(α)에서 2.83 eV에서 시작하여 테트라고널 상(β)에서 3.07 eV로 증가하고, 온스퍼틱 상(γ)에서 3.26 eV로 더욱 증가한다.
• 테트라고널 상은 패리미 에너지 수준 근처에서 가장 높은 밀도 상태를 보이며, 전하 운반자 이동을 위한 강화된 전자 상태를 시사한다.
• 입체상은 가장 높은 흡수 능력과 비교적 높은 광전도도를 보이며, 태양전지에서 빛 흡수에 더 유리한 잠재력을 지닌다.
• 테트라고널 상과 온스퍼틱 상의 광학적 흡수 및 광전도도 스펙트럼은 거의 동일하여 유사한 옹전자성 거동을 나타낸다.
• 모든 세 상은 넓은 밴드 갭 반도체로 분류되며, 입체상이 광학적 반응이 뛰어나 광발전 응용에서 가장 유망한 것으로 판단된다.