[논문 리뷰] Computational Study of Defect variant Perovskites A2BX6 for Photovoltaic Applications

Muhammad Faizan, K.C. Bhamu외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 18.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 66인용 수 13

한 줄 요약

이 계산 연구는 광발전 응용을 위해 구조적, 전자적, 광학적 성질을 평가하기 위해 밀도함수이론을 사용하여 수소화된 A2BX6 퍼보스카이트(여기서 A = Rb, Cs; B = Sn, Pd, Pt; X = Cl, Br, I)를 조사한다. 가장 유망한 후보로 Rb2PdBr6와 Cs2PtI6는 0.9–1.6 eV 범위의 최적 금역간격과 높은 유전율 및 광학적 흡수를 보이며, 고효율 단일 접합 태양전지에 강력한 잠재력을 지니고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

A comprehensive study of the structural, electronic, and optical properties of lead-free perovskites has been carried out by means of first principles method based on DFT. The calculations are performed for the compound of the type A2BX6 with A=Rb, and Cs; B=Sn, Pd, and Pt; and X=Cl, Br, and I. The calculated structural parameters (lattice constants and bond lengths) agree well with the experiments. The computed band gap reveals a semiconducting profile for all these compounds showing a decreasing trend of the band gap energy by changing the halide ions consecutively from Cl to Br and Br to I. However, for variation in the B-site cation, the band gap increases by changing the cation from Pd to Pt via Sn. The most likely compounds, Rb2PdBr6 and Cs2PtI6, exhibit a band gap within the optimal range of 0.9-1.6 eV for single-junction photovoltaic applications. The optical properties in terms of the optimal value of the dielectric constant, optical conductivity, and absorption coefficient are also investigated upto the photon energy of 10 eV. Our results indicate that upon changing the halogen ions (Cl by Br and Br by I) the optical properties altered significantly. Maximum dielectric constants and high optical absorption are found for Rb2PdI6 and Cs2PtI6. The unique optoelectronic properties such as ideal band gap, high dielectric constants, and optimum absorption of A2BX6 perovskites could be efficiently utilized in designing high performance single and multi-junction perovskite solar cells.

연구 동기 및 목표

• 단일 접합 광전지 응용을 위한 최적의 옵티오일렉트로닉 성질을 갖춘 수소화된 A2BX6 퍼보스카이트 화합물을 규명하기 위해.
• A-위치(Rb, Cs), B-위치(Sn, Pd, Pt), X-위치(Cl, Br, I)의 카이온이 구조적, 전자적, 광학적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 금역간격의 변화 경향을 규명하고 효율적인 태양 에너지 변환을 위한 이상적인 0.9–1.6 eV 범위 내에 있는 화합물을 식별하기 위해.
• 광전지 적용 가능성 평가를 위해 10 eV 이하의 광자 에너지까지 유전율, 광학적 도핑도 및 흡수 계수를 평가하기 위해.
• 고성능, 안정성 및 비독성 퍼보스카이트 태양전지 설계를 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 일반화된 기울기 근사(GGA)와 PBE 기능을 사용한 첫 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 격자 상수 및 결합 길이를 포함한 구조적 매개변수를 최적화하고 실험 데이터와 비교하여 검증하였다.
• 금역간격 변화 경향과 반도체 행동을 규명하기 위해 전자 밴드 구조 및 상태 밀도를 계산하였다.
• 10 eV 이하의 광자 에너지까지 유전율, 광학적 도핑도 및 흡수 계수를 포함한 광학적 성질을 계산하였다.
• A, B, X 원소의 체계적 변화를 통해 A2BX6 계열 전반의 성질 변화 경향을 비교 분석할 수 있도록 하였다.
• 500 eV 에너지 截단을 사용한 평면파 기저 집합과 함께 VASP 코드를 사용하여 계산을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 접합 태양전지에 적합한 최적의 0.9–1.6 eV 범위 내에 금역간격을 가지는 A2BX6 퍼보스카이트 조성은 무엇인가요?
• RQ2 할로겐 이온(Cl, Br, I)과 B-위치 카이온(Sn, Pd, Pt) 치환에 따라 금역간격 에너지는 어떻게 변화하는가요?
• RQ3 가장 유망한 후보들의 광학적 성질, 특히 유전율과 흡수 계수는 무엇인가요?
• RQ4 격자 상수 및 결합 길이와 같은 구조적 매개변수는 실험 측정치와 어떻게 상관관계가 있나요?
• RQ5 통합된 옵티오일렉트로닉 성질을 바탕으로 고성능 광전지 응용에 가장 높은 잠재력을 보이는 화합물은 무엇인가요?

주요 결과

• 연구된 모든 A2BX6 화합물은 반도체 밴드 구조를 보이며, X-위치에서 Cl에서 Br로 I로 갈수록 금역간격이 감소한다.
• B-위치 카이온이 Sn에서 Pd로 Pt로 변할수록 금역간격이 증가하며, Cs2PtI6는 약 1.0 eV의 금역간격을 나타낸다.
• Rb2PdBr6와 Cs2PtI6는 단일 접합 광전지에 적합한 이상적인 0.9–1.6 eV 범위 내의 금역간격을 보인다.
• Rb2PdI6와 Cs2PtI6는 가장 높은 유전율과 가장 강한 광학적 흡수를 보이며, 특히 가시광선 범위에서 두드러진다.
• Cs2PtI6와 Rb2PdI6는 가시광선 영역에서 광학적 도핑도와 흡수 계수가 크게 피크를 이룬다. 이는 강력한 빛 흡수 잠재력을 시사한다.
• 계산된 구조적 매개변수(격자 상수 및 결합 길이)는 가용한 실험 데이터와 양호한 일치를 보였다.