[논문 리뷰] High Seebeck coefficient and ultra-low lattice thermal conductivity in Cs2InAgCl6

Enamul Haque, Md.A. Hossain|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 20.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 26인용 수 8

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 Cs₂InAgCl₆가 열전 재료로서 유망한 성질을 지닌다는 것을 조사하며, 실온에서 높은 시베크 계수(199 μV/K)와 매우 낮은 격자 열전도도(~0.2 Wm⁻¹K⁻¹)를 보이며, 강한 포논 산산각과 낮은 포논 군속도로 인해 발생한다. 이 물질은 직접 band gap 3.67 eV(TB-mBJ)를 가지며, 700 K에서 ZT 값이 0.74로 나타나 효율적인 열전 응용에 큰 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

The elastic, electronic and thermoelectric properties of indium-based double-perovskite halide, Cs2InAgCl6 have been studied by first principles study. The Cs2InAgCl6 is found to be elastically stable, ductile, anisotropic and relatively low hard material. The calculated direct bandgap 3.67 eV by TB-mBJ functional fairly agrees with the experimentally measured value 3.3 eV but PBE functional underestimates the bandgap by 1.483 eV. The relaxation time and lattice thermal conductivity have been calculated by using relaxation time approximation (RTA) within the supercell approach. The lattice thermal conductivity (\k{appa}l) is quite low (0.2 Wm-1K-1). The quite low phonon group velocity in the large weighted phase space, and high anharmonicity (large phonon scattering) are responsible for small \k{appa}l. The room temperature Seebeck coefficient is 199 μVK-1. Such high Seebeck coefficient arises from the combination of the flat conduction band and large bandgap. We obtain power factors at 300K by using PBE and TB-mBJ potentials are ~29 and ~31 mWm-1K-2, respectively and the corresponding thermoelectric figure of merit of Cs2BiAgCl6 are 0.71 and 0.72. However, the maximum ZT value obtained at 700K is ~0.74 by TB-mBJ potential. The obtained results implies that Cs2InAgCl6 is a promising material for thermoelectric device applications.

연구 동기 및 목표

• Cs₂InAgCl₆가 새로운 이중 퍼보스카이트 할라이드 재료로서의 열전 잠재력을 평가하기 위해.
• 매우 낮은 격자 열전도도와 높은 시베크 계수의 기원을 이해하기 위해.
• PBE 및 TB-mBJ 기능을 사용하여 전자 밴드 구조와 열전 성질을 비교하기 위해.
• 실제 응용 가능성에 대비한 기계적 안정성과 비등방성 행동을 평가하기 위해.
• 관련 온도 범위에서 열전 성능 지표(ZT)를 결정하기 위해.

제안 방법

• 전자 및 밴드 구조 성질을 계산하기 위해 PBE 및 TB-mBJ 기능을 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 초세포 접근법 내에서 이완 시간 근사법(RTA)을 사용하여 격자 열전도도(κₗ)를 계산하였다.
• 낮은 κₗ의 기원을 설명하기 위해 포논 분산 및 군속도를 분석하였다.
• 일정한 이완 시간 근사법 하에서 볼츠만 운동방정식을 사용하여 시베크 계수와 파워 팩터를 계산하였다.
• 탄성 상수를 통한 기계적 안정성 평가 및 연성, 비등방성, 경도 분석을 수행하였다.
• 파워 팩터와 열전도도로부터 열전 성능 지표(ZT)를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cs₂InAgCl₆의 전자 밴드 갭은 얼마이며, 실험 값과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ2 Cs₂InAgCl₆에서 매우 낮은 격자 열전도도가 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ3 Cs₂InAgCl₆의 실온 시베크 계수는 다른 열전 재료들과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 Cs₂InAgCl₆에서 도달 가능한 최대 ZT 값은 얼마이며, 어느 온도에서 발생하는가?
• RQ5 다른 상호작용-상관 기능(PBE 대비 TB-mBJ)이 예측된 열전 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• TB-mBJ 기능을 사용하여 계산한 Cs₂InAgCl₆는 직접 밴드 갭 3.67 eV를 보이며, 실험 값 3.3 eV와 매우 가까운 값을 나타낸다.
• PBE 기능은 밴드 갭을 1.483 eV 낮게 예측하여, 밴드 구조 예측에서 기능 선택의 중요성을 강조한다.
• 격자 열전도도(κₗ)는 낮은 포논 군속도와 높은 비선형성로 인해 매우 낮아 0.2 Wm⁻¹K⁻¹로 나타난다.
• 실온에서 시베크 계수는 199 μV/K에 도달하며, 평탄한 도닝 밴드와 큰 밴드 갭으로 인해 발생한다.
• 300 K에서의 파워 팩터는 PBE 기준 약 29 mWm⁻¹K⁻², TB-mBJ 기준 약 31 mWm⁻¹K⁻²이며, 이에 해당하는 ZT 값은 각각 0.71과 0.72이다.
• TB-mBJ 기능을 사용할 경우 700 K에서 최대 ZT 값 0.74를 기록하여 고온에서 강력한 열전 잠재성을 보여준다.