[논문 리뷰] Electronic structure, optical property and improved stability of mixed halide perovskite CH$_3$NH$_3$Pb(I$_{1-x}$Br$_x$)$_3$ by virtual crystal approximation within DFT

Un-Gi Jong, Chol‐Jun Yu외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 27.

Perovskite Materials and Applications인용 수 69

한 줄 요약

이 연구는 혼합 할라이드 퍼보스카이트 CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃을 모델링하기 위해 밀도함수이론(DFT) 내에서 가상 결정모형(VCA)을 사용하여, 브로민 함량(x)이 증가할수록 격자가 선형적으로 팽창하고 밴드 갭이 제곱적으로 감소함을 보여주며, 베가드의 법칙과 일치함을 확인함. 주요 발견은 Pb–X 및 C–N 결합 길이가 최적화되어 있어 x = 0.2에서 안정성이 향상됨을 나타내며, 태양전지 응용에 유리한 광전기적 성질을 가짐.

ABSTRACT

We investigate the structural, electronic and optical properties of mixed bromide-iodide lead perovskite solar cell CH$_3$NH$_3$Pb(I$_{1-x}$Br$_x$)$_3$ by means of the virtual crystal approximation (VCA) within density functional theory (DFT). Optimizing the atomic positions and lattice parameters increasing the bromide content $x$ from 0.0 to 1.0, we fit the calculated lattice parameter and energy band gap to the linear and quadratic function of Br content, respectively, which are in good agreement with the experiment, respecting the Vegard's law. With the calculated exciton binding energy and light absorption coefficient, we make sure that VCA gives consistent results with the experiment, and the mixed halide perovskites are suitable for generating the charge carriers by light absorption and conducting the carriers easily due to their strong photon absorption coefficient, low exciton bindign energy, and high carrier mobility at low Br contents. Furthermore analyzing the bonding lengths between Pb and X (I$_{1-x}$Br$_x$: virtual atom) as well as C and N, we stress that the stability of perovskite solar cell is definitely improved at $x$=0.2.

연구 동기 및 목표

• 다양한 브로민 조성에서 혼합 할라이드 퍼보스카이트 CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃의 구조적, 전자적 및 광학적 성질을 이해하기 위해.
• 브로민 도핑(x)이 격자 상수와 밴드 갭 변화 경향에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• Pb–X 및 C–N 결합 길이 분석을 통해 퍼보스카이트 구조의 안정성을 평가하기 위해.
• exciton 결합 에너지와 빛 흡수 계수를 바탕으로 혼합 할라이드 퍼보스카이트가 태양전지 응용에 적합한지 판단하기 위해.

제안 방법

• 퍼보스카이트 격자 내에서 I와 Br의 무작위 고체용액을 모델링하기 위해 가상 결정모형(VCA)을 사용함.
• 전자 구조, 밴드 갭 및 광학적 성질을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 사용함.
• 브로민 함량(x) 증가에 따라 원자 위치와 격자 상수를 최적화함(0.0에서 1.0까지).
• 실험 결과와 비교하기 위해 격자 상수와 밴드 갭을 x에 대한 선형 및 제곱함수로 피팅함.
• 태양전지 잠재력 평가를 위해 exciton 결합 에너지와 빛 흡수 계수를 계산함.
• 다양한 x 값에서의 구조적 안정성 평가를 위해 Pb–X 및 C–N 결합 길이를 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VCA-DFT 계산에 따르면, 브로민 함량(x) 증가가 CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃의 격자 상수와 밴드 갭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 VCA-DFT 모델은 격자 팽창과 밴드 갭 비선형성에 대해 실험적 경향, 즉 베가드의 법칙을 어느 정도 재현하는가?
• RQ3 결합 길이 분석에 기반해, CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃에서 최대 구조적 안정성을 보이는 브로민 함량(x)은 얼마인가?
• RQ4 exciton 결합 에너지와 빛 흡수 계수는 혼합 할라이드 퍼보스카이트의 태양전지 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 퍼보스카이트 구조는 x = 0.2에서 가장 안정한가? Pb–X 및 C–N 결합 길이는 이에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃의 격자 상수는 브로민 함량(x) 증가에 따라 선형적으로 증가하며, 베가드의 법칙과 일치함.
• 밴드 갭은 x 증가에 따라 제곱적으로 감소하며, 실험적 경향과 일치하여 VCA-DFT 접근법의 타당성을 확인함.
• exciton 결합 에너지는 낮고, 빛 흡수 계수는 특히 낮은 x에서 높아, 효율적인 실리콘 전하 운반체 생성 잠재력이 높음.
• x = 0.2에서 Pb–X 및 C–N 결합 길이가 최적화되어 있어 최대 구조적 안정성이 확인됨.
• 계산된 광학적 성질과 실리콘 운반체 특성은 혼합 할라이드 퍼보스카이트가 태양전지 응용에 적합함을 확인함.
• VCA-DFT 모델은 실험 관측 결과와 일치하는 결과를 도출하여, 할라이드 퍼보스카이트 고체용액 연구에 적용 가능한 것으로 검증됨.