[논문 리뷰] Intrinsic defect properties in halide double perovskites for optoelectronic applications

Tianshu Li, Xingang Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 16.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 44인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 광전자 응용 분야를 위한 결함 공 ing를 안내하기 위해, 첫 번째 원리 계산을 사용하여 수은을 포함하지 않는 할라이드 더블 퍼보스카이트(A2AgInCl6, A2AgBiCl6, A2AgBiBr6)의 내재 결함 특성을 조사한다. 트랩 상태를 최소화하고 p형 또는 반도체적 행동을 가능하게 하는 최적의 성장 조건을 규명하여 효율적인 태양전지 및 방사선 감지 장치를 위한 낮은 결함 농도를 달성한다.

ABSTRACT

Lead-free halide double perovskites with the formula of quaternary A$_2^+$B'B'$^{3+}$X$_6^-$ have recently attracted intense interest as alternatives to lead-halide-perovskite-based optoelectronic materials for their non-toxicity and enhanced chemical and thermodynamic stability. However, the understanding of intrinsic defect properties and their effects on carrier transport and Fermi level tuning is still limited. In this paper, we show that, by exploring the phase diagram of a halide double perovskite, one can control the effects of intrinsic defects on carrier trapping and Fermi level pinning. We reveal the ideal growth conditions to grow p-type Cs$_2$AgInCl$_6$ and Cs$_2$AgBiCl$_6$ as well as semi-insulating Cs$_2$AgBiBr$_6$ with low trap density for targeted photovoltaic or visible-light/radiation detection application.

연구 동기 및 목표

• 수은을 포함하지 않는 할라이드 더블 퍼보스카이트에서 내재 결함의 역할을 광전자 응용 분야에서 이해하기 위해.
• 운반체 이동도 및 페르미 수준 고정에 미치는 영향을 포함한 결함 특성에 대한 이해 부족을 해결하기 위해.
• 결함에 의한 운반체 트랩 및 페르미 수준 고정을 최소화하는 성장 조건을 규명하기 위해.
• 태양전지 또는 가시광선/방사선 감지 응용 분야를 위한 Cs2AgInCl6, Cs2AgBiCl6, 및 Cs2AgBiBr6의 타겟된 설계를 가능하게 하기 위해.
• 물질 안정성과 성능 향상을 위한 단계도표 기반의 결함 거동 제어 수립하기 위해.

제안 방법

• 내재 결함의 형성 에너지 및 전이 수준을 계산하기 위해 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 다양한 화학적 환원도 조건에서 할라이드 더블 퍼보스카이트의 단계도를 그려 안정한 결함 구조를 예측하였다.
• Cs2AgInCl6, Cs2AgBiCl6, 및 Cs2AgBiBr6에서 결함 수준 분석 및 페르미 수준 고정과 운반체 트랩에 미치는 영향을 평가하였다.
• 페르미 수준 및 화학적 환원도 함수로서의 결함 농도를 평가하여 최적의 성장 조건을 규명하였다.
• 전하 전이 수준 분석을 통해 결함이 p형 및 반도체적 행동에 미치는 영향을 평가하였다.
• 실험적 성장 매개변수와의 연관성을 통해 낮은 트랩 농도를 갖는 합성 지침을 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 할라이드 더블 퍼보스카이트에서 내재 결함이 운반체 이동도 및 페르미 수준 고정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 성장 조건에서 주요 결함 유형과 그 형성 에너지는 무엇인가?
• RQ3 더블 퍼보스카이트의 단계도는 어떻게 활용되어 결함 특성을 제어하고 트랩 상태를 최소화할 수 있는가?
• RQ4 Cs2AgInCl6 및 Cs2AgBiCl6에서 어떤 화학적 환원도 조건에서 p형 또는 반도체적 행동을 달성할 수 있는가?
• RQ5 Cs2AgBiBr6에서 방사선 감지 응용 분야를 위한 낮은 트랩 농도를 갖는 결함 구조는 무엇인가?

주요 결과

• 이 연구는 Cs2AgInCl6 및 Cs2AgBiCl6에서 Ag 및 Bi의 빈도 결함가 주요 내재 결함임을 규명하였으며, 형성 에너지가 화학적 환원도에 크게 의존함을 확인하였다.
• Cs2AgInCl6 및 Cs2AgBiCl6에서 Ag 빈도 조건에서는 p형 행동이 가능하며, 페르미 수준이 전도대 최고점 근처에 고정됨을 확인하였다.
• Cs2AgBiBr6에서는 Ag 빈도 형성이 Ag 빈도 조건에서 억제되어 낮은 트랩 농도를 갖는 반도체적 행동이 가능함을 규명하였다.
• 단계도 분석 결과, Ag 빈도 및 Cl 빈도 조건에서 성장할 경우 깊은 수준의 트랩을 최소화하고 결함 형성을 억제할 수 있음이 밝혀졌다.
• 최적의 성장 조건에서는 결함 농도가 10^14 cm⁻³ 이하로 예측되어 고성능 광전자 장치에 적합함을 확인하였다.
• 결과는 더블 퍼보스카이트에서 결함 공 ing에 대한 길잡이를 제공하며, 단계도 제어를 통해 전자적 성질을 타겟팅하여 조절할 수 있음을 입증하였다.