[논문 리뷰] Electronic and optical properties of FeSe2 polymorphs: solar cell absorber

B. G. Ganga, C. Ganeshraj외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 06.

Iron-based superconductors research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 규준보존 허위전자함수를 사용한 밀도함수이론을 통해 마르카사이트 및 흑철광체 형태의 FeSe2 다형체의 전자적 및 광학적 성질을 조사한다. 두 상 모두 적절한 간접 띠역할(각각 0.86 eV 및 0.67 eV)을 보이며, 넓은 광학 스펙트럼에서 높은 흡수 계수와 반도체 행동을 나타내어 태양전지 수확체로 강력한 잠재력을 지니며, 마르카사이트는 광학 이방성과 혼합 이온-공유 결합 성질을 보인다.

ABSTRACT

Electronic and optical properties of semiconducting FeSe2 polymorphs (marcasite and pyrite) were evaluated using density functional theory with norm-conserving pseudopotential. Marcasite and pyrite of FeSe2 show indirect band gaps of 0.86 eV and 0.67 eV respectively. Absorption coefficient is high over a wide range of optical spectrum, indicating that these materials are exploitable as solar cell absorber. Marcasite FeSe2 is found to be optically anisotropic, whereas pyrite is isotropic. Mulliken Bond Population analysis shows mixed ionic-covalent nature of bonding for both polymorphs. Effective masses of electrons and holes were also calculated, which reinforce the semiconducting nature of FeSe2

연구 동기 및 목표

• FeSe2의 마르카사이트 및 흑철광체 다형체의 전자적 및 광학적 성질을 태양전지 응용을 위해 평가하기.
• 띠 구조 및 광학 반응을 바탕으로 FeSe2가 태양전지 수확체 재료로서 적합한지 판단하기.
• 두 다형체의 결합 성질 및 유효 질량을 분석하여 반도체 행동을 평가하기.
• 마르카사이트 및 흑철광체 상 사이의 광학 이방성 및 전자적 특성을 비교하기.
• FeSe2를 박막 태양전지에서 실험적으로 탐색하기 위한 이론적 기초 제공하기.

제안 방법

• 전자 구조를 계산하기 위해 규준보존 허위전자함수를 사용한 밀도함수이론(DFT)를 적용하였다.
• DFT 계산에서 상호작용-상관관계 기능으로 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용하였다.
• 직접 띠역할/간접 띠역할을 결정하기 위해 띠 구조 및 상태 밀도를 계산하였다.
• 광학 스펙트럼 전반에 걸쳐 흡수 계수를 계산하여 빛 흡수 잠재력을 평가하였다.
• 이온-공유 결합 성질을 특성화하기 위해 Mulliken 결합 인구 분석을 수행하였다.
• 운반체 이동성 특성을 평가하기 위해 전자 및 정공의 유효 질량을 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마르카사이트 및 흑철광체 FeSe2 다형체의 전자 띠 구조는 무엇인가?
• RQ2 FeSe2 다형체의 광학 스펙트럼 전역에서의 광흡수 반응은 어떠한가?
• RQ3 두 FeSe2 다형체 사이의 결합 특성(이온-공유 성질)은 어떻게 다를까?
• RQ4 두 다형체는 광학적으로 등방성인지 이방성인지인가?
• RQ5 FeSe2의 전자 및 정공 유효 질량은 얼마이며, 이는 운반체 이동성에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 마르카사이트 FeSe2는 간접 띠역할 0.86 eV을, 흑철광체 FeSe2는 더 작은 간접 띠역할 0.67 eV을 나타낸다.
• 두 다형체 모두 넓은 범위의 광학 스펙트럼에서 높은 흡수 계수를 보이며, 강력한 빛 흡수 능력을 지닌다.
• 마르카사이트 FeSe2는 광학적으로 이방성인 반면, 흑철광체 FeSe2는 등방성 광학 반응을 보인다.
• Mulliken 결합 인구 분석은 두 다형체 모두 혼합 이온-공유 결합 성질을 확인한다.
• 계산된 유효 질량은 FeSe2의 반도체 성질을 뒷받침하며, 운반체 이동성에 대한 잠재력을 일관되게 보여준다.
• 적절한 띠역할, 강력한 흡수 능력, 유리한 전자적 성질의 조합은 FeSe2를 박막 태양전지의 유망한 수확체 재료로 만든다.