[논문 리뷰] Investigation of the lead-free double perovskites Cs2AgSbX6 (X= Cl, Br, I) for optoelectronic and thermoelectric applications

G. Murtaza|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 12.

Perovskite Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 전자적 및 열전 응용을 위한 수은-프리 双perovskite인 Cs2AgSbX6 (X = Cl, Br, I)을 조사한다. 이 화합물들은 조절 가능한 간섭형 밴드 간격(0.64–2.08 eV), 강한 자외선에서 가시광선 영역의 흡수, 낮은 효과적 전자 질량, 높은 열전 성능 인자 등을 나타내어 태양전지 및 효율적인 열전 장치에 큰 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

Perovskite compounds have the potential to harvest solar energy as well as exploit the thermoelectric potential of a number of available materials. Here, we present the electronic, structural, thermoelectric, and optical properties of Cs2AgSbX6 (X = Cl, Br, I) perovskite with the help of the density functional theory (DFT). The WC-GGA approximation was used to calculate the structural parameters. All these compounds crystalize in a cubic unit cell with lattice constant increasing from 10.65 Å (Cl) to 11.14 Å (Br) to 11.86 Å (I). The mBJ-functional shows a semiconducting nature for these compounds with an indirect band gap lying at the L-X symmetry points. The optical conductivity and absorption coefficient show their peaks in the ultraviolet region, moving towards a lower energy range by inserting large size anion. The band gap of these compounds (2.08, 1.37, 0.64 eV) indicates their potential in single and multijunction solar cells. The value of refractive index at zero energy was evaluated to be 3.1, 2.2, and 1.97 for Cs2AgSbCl6, Cs2AgSbBr6 and Cs2AgSbI6. Effective mass of electrons is smaller than those of holes resulting in higher carrier mobility for electrons. The Seebeck coefficient, power factor, and the figure of merit were computed using the BoltzTrap code. The negative temperature coefficient of resistivity also supports the semiconductor nature of these compounds. The high electrical, small thermal conductivity, positive Seebeck coefficient, and the optimum figure of merit make these compounds suitable for thermoelectric applications.

연구 동기 및 목표

• 지속 가능한 광전기 및 열전 응용을 위한 수은-프리 이중퍼보스카이트 Cs2AgSbX6 (X = Cl, Br, I)의 전자적 및 구조적 성질을 평가하기 위해.
• 수은 기반 퍼보스카이트와 관련된 환경적 및 안정성 문제를 해결하기 위해 실현 가능한 수은-프리 대체재를 식별하기 위해.
• 염소, 브로민, 아이오딘 치환을 통해 광전기적 및 열전 성질의 조절 가능성을 조사하기 위해.
• 이 물질들이 단일 및 다중 접합 태양전지, 그리고 효율적인 열전 장치에 적합한 잠재성을 평가하기 위해.
• 첫 번째 원리 계산을 통해 Seebeck 계수, 전력 인자, 성능 인자와 같은 핵심 운반성능을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 구조적 매개변수와 전자 밴드 구조를 계산하기 위해 WC-GGA 함수를 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• Cs2AgSbX6 화합물의 반도체 성질과 밴드 간격을 정확히 기술하기 위해 mBJ 잠재력 사용하였다.
• DFT에서 유도된 유전율 함수를 기반으로 굴절률 및 흡수 계수와 같은 광학적 성질을 계산하였다.
• BoltzTrap 코드를 통해 열전 운반성능(Seebeck 계수, 전기 저항률, 전력 인자, 성능 인자)을 계산하였다.
• 운반자 이동도와 운반 효율을 평가하기 위해 전자 및 정공의 효과적 질량을 분석하였다.
• Cl, Br, I에 대한 결과를 체계적으로 비교하여 이온 크기의 영향을 전자적 및 운반 성질에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cs2AgSbX6 (X = Cl, Br, I)의 전자 밴드 구조와 밴드 간격은 무엇이며, 이는 이온 종류에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Cs2AgSbX6에서 이온 치환에 따라 광학적 성질(흡수 및 굴절률)은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 Cs2AgSbX6에서 운반자 효과적 질량 및 이동도의 경향은 무엇이며, 이는 광전기 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 Cs2AgSbX6 화합물의 열전 운반 성능(Seebeck 계수, 전력 인자, 성능 인자)은 이온 종류에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 Cs2AgSbX6 물질은 낮은 열전도도와 높은 전기 전도도를 유지하면서도 높은 열전 성능 인자를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• Cs2AgSbX6는 고체 구조를 가지며, 격자 상수가 Cl의 10.65 Å에서 Br의 11.14 Å로 I의 11.86 Å로 증가한다.
• mBJ 기능은 간섭형 밴드 간격을 각각 2.08 eV(Cl), 1.37 eV(Br), 0.64 eV(I)로 예측하여 단일 및 다중 접합 태양전지에 적합함을 시사한다.
• 더 무거운 이온을 사용할수록 광학적 흡수 피크가 낮은 에너지로 이동하며, 최대 흡수는 자외선에서 가시광선 영역에 위치한다.
• 0 에너지에서 굴절률은 Cl의 3.1에서 Br의 2.2로 감소하고 I의 1.97로 더 감소하여 더 큰 이온에서 유전율 반응이 감소함을 반영한다.
• 전자 효과적 질량는 정공 효과적 질량보다 작으며, 이는 높은 전자 이동도와 뛰어난 전자 운반 성능을 의미한다.
• 이 화합물들은 저항률의 음의 온도 계수를 나타내어 반도체 성질을 확인하였으며, 높은 전력 인자와 유리한 열전 성능 인자를 나타내며, 특히 I 기반 조성에서 두드러진다.