[논문 리뷰] High-Throughput Screening for Band gap Engineering by Sublattice Mixing of Cs$_2$AgBiCl$_6$ from First-Principles

Deepika Gill, Preeti Bhumla외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 30.

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한 줄 요약

이 연구는 스핀-오비트 결합을 고려한 밀도함수이론(DFT)을 사용한 고속 스クリ닝을 통해 Cs2AgBiCl6의 밴드 갭을 Pb을 포함하지 않는 방식으로 M(I), M(II), M(III) 카이온이 Ag/Bi 서브격자에 혼합된 방식으로 공 inge하여 설계한다. 직접 밴드 갭을 가진 안정적인 19개의 구조가 확인되었으며, 이는 태양전지 응용에 적합하다. Ge(II) 및 Sn(II) 치환은 각각 32.08%와 30.91%의 스펙트로스코픽 한계 최대 효율(SLME)을 달성한다.

ABSTRACT

The lead-free double perovskite material (viz. Cs$_2$AgBiCl$_6$) has emerged as an efficient and environmentally friendly alternative to lead halide perovskites. To make Cs$_2$AgBiCl$_6$ optically active in the visible region of solar spectrum, band gap engineering approach has been undertaken. Using Cs$_2$AgBiCl$_6$ as a host, band gap and optical properties of Cs$_2$AgBiCl$_6$ have been modulated by alloying with M(I), M(II), and M(III) cations at Ag-/Bi-sites. Here, we have employed density functional theory (DFT) with suitable exchange-correlation functionals in light of spin-orbit coupling (SOC) to determine the stability, band gap and optical properties of different compositions, that are obtained on Ag-Cl and Bi-Cl sublattices mixing. On analyzing the 64 combinations within Cs$_2$AgBiCl$_6$, we have identified 19 promising configurations having band gap sensitive to solar cell applications. The most suitable configurations with Ge(II) and Sn(II) substitutions have spectroscopic limited maximum efficiency (SLME) of 32.08% and 30.91%, respectively, which are apt for solar cell absorber.

연구 동기 및 목표

• Cs2AgBiCl6의 밴드 갭을 공학적으로 조절하여 납을 포함하지 않고도 안정적이고 효율적인 태양광 흡수재료를 개발한다.
• 기존 이중 퍼보스카이트의 한계, 즉 큰 간접 밴드 갭과 산화 또는 대칭금지 전이로 인한 불안정성 문제를 해결한다.
• 직접 밴드 갭과 가시광선 영역에서의 향상된 광학적 흡수를 유도하는 Ag/Bi 위치에 최적의 카이온 치환을 규명한다.
• 스핀-오비트 결합을 고려한 처음부터 계산하는 방법을 사용하여 열역학적 안정성과 온-전기적 성능을 예측한다.
• 태양전지 응용을 위한 유망한 구조의 스펙트로스코픽 한계 최대 효율(SLME)을 결정한다.

제안 방법

• PBE 및 HSE06 전자상관관계 함수를 사용한 고속 스크리닝을 통해 총 64개의 다양한 카이온 조합을 DFT 계산으로 분석한다.
• Bi와 같은 무거운 원자로 인한 밴드 구조 효과를 정확히 반영하기 위해 모든 계산에 스핀-오비트 결합(SOC)을 포함한다.
• 골드슈미트의 안정성 인자와 삼각형 인자로 구조적 안정성을 평가하고, 분해 엔탈피(ΔH_D)를 통해 열역학적 안정성을 검증한다.
• 전자 밴드 구조와 국소 밀도 상태(pDOS)를 분석하여 최고의 가시광선 밴드와 도핑 밴드 최소값에 기여하는 궤도를 규명한다.
• HSE06를 사용하여 유전율 함수(실수 및 허수 부분)를 계산하여 광학적 반응과 흡수 시작점을 평가한다.
• 안정적이고 직접 밴드 갭을 가진 구조에 대해 스펙트로스코픽 한계 최대 효율(SLME)을 계산하여 태양전지 잠재력의 순위를 매긴다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cs2AgBiCl6의 Ag/Bi 위치에 어떤 카이온 치환이 열역학적으로 안정된 이중 퍼보스카이트를 만들며 직접 밴드 갭을 갖는가?
• RQ2 M(I), M(II), M(III) 카이온의 서브격자 혼합이 Cs2AgBiCl6의 밴드 갭과 광학적 흡수 경계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스핀-오비트 결합은 이러한 시스템에서 밴드 갭 정확도와 밴드 최소값 정렬에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 구성이 태양전지 응용에서 가장 높은 스펙트로스코픽 한계 최대 효율(SLME)을 나타내는가?
• RQ5 가시광선 밴드 최대값과 도핑 밴드 최소값에서의 궤도 혼성화는 광학 활성도와 밴드 갭 공학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 64개의 구성 중 19개가 가시광선 흡수에 적합한 밴드 갭을 가지며 열역학적으로 안정된 것으로 확인되었다.
• Ag/Bi 위치에 Ge(II) 치환이 이루어진 경우 PBE+SOC 조건에서 직접 밴드 갭 1.62 eV와 스펙트로스코픽 한계 최대 효율(SLME) 32.08%를 기록하였다.
• Sn(II) 치환은 PBE+SOC 조건에서 직접 밴드 갭 1.06 eV와 SLME 30.91%를 기록하여 태양전지 응용에 매우 적합한 것으로 나타났다.
• Au(I), Cu(I), In(III) 등의 카이온 치환은 밴드 갭을 크게 감소시켰지만, 높은 분해 엔탈피로 인해 대부분 열역학적으로 불안정하였다.
• 스핀-오비트 결합의 포함은 필수적이었으며, PBE로 예측한 밴드 갭 2.06 eV를 1.68 eV로 감소시켜 실험값과의 일치도를 향상시켰다.
• pDOS 분석 결과, 밴드 갭 조절은 가시광선 밴드 최대값에서 Bi 6s와 Cl 3p 궤도의 혼성화 및 도핑 밴드 최소값에서 Ag 4d/Ge 4p 궤도의 혼성화에 기인한다.