[논문 리뷰] Structural and optoelectronic properties of the inorganic perovskites AGeX3 (A = Cs, Rb; X = I, Br, Cl) for solar cell application

Un-Gi Jonga, Chol‐Jun Yu외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 05.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 PBEsol 및 HSE06 함수를 사용한 밀도역학함수이론(DFT)을 통해 무기 퍼보스카이트 AGeX₃ (A = Cs, Rb; X = I, Br, Cl)의 구조적 및 옵티오일렉트로닉 성질을 조사한다. 적절한 밴드 갭, 강한 가시광선 흡수, 낮은 효율 질량 및 중간 정도의 준위 결합 에너지를 바탕으로 CsGeI₃와 RbGeI₃가 태양전지에 유망한 후보로 나타난다.

ABSTRACT

We predict the structural, electronic and optic properties of the inorganic Ge-based halide perovskites AGeX3 (A = Cs, Rb; X = I, Br, Cl) by using first-principles method. In particular, absolute electronic energy band levels are calculated using two different surface terminations of each compound, reproducing the experimental band alignment.

연구 동기 및 목표

• 태양전지 응용을 위한 무기 AGeX₃ 퍼보스카이트(A = Cs, Rb; X = I, Br, Cl)의 구조적 안정성과 전자적 성질을 평가하기 위해.
• 밴드 갭, 흡수 계수 및 실체 질량에 기반하여 AGeX₃ 계열 중 가장 적합한 후보를 규명하기 위해.
• 정확한 밴드 정렬을 위해 표면 슬립 모델과 코어레벨 기반 참조를 사용하여 절대 전자 에너지 수준을 추정하기 위해.
• 스핀-오비트 결합 및 하이브리드 기능(HSE06) 보정이 밴드 갭과 광학적 성질을 정확히 예측하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 구조적 최적화 및 전자 구조 계산를 위해 PBEsol 함수와 프rojector augmented wave(PAW) 기저함수를 사용한 밀도역학함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 밴드 갭 정확도를 향상시키기 위해 HSE06 하이브리드 기능을 적용하였으며, 이는 PBE의 20% 교환을 정확한 하트리-폭크 교환으로 대체하였다.
• 광흡수 계수는 밀도역학함수 양성 이론(DFPT)에서 유도된 유전율 함수를 기반으로 계산하였다.
• 브릴루앙 존의 Z 점 근처에서 에너지 밴드의 곡률을 수치적으로 계산하여 전자 및 정공의 효율 질량을 산정하였다.
• 수소원자 모델을 사용하여 감소된 효율 질량과 정적 유전율 상수를 기반으로 준위 결합 에너지를 추정하였다.
• 표면 슬립 모델에서 Ge 1s 코어 레벨과 진공 수준을 기준으로 절대 에너지 수준(VBM 및 CBM)을 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 AGeX₃ 퍼보스카이트 조성물이 효율적인 태양에너지 변환을 위한 최적의 밴드 갭을 나타내는가?
• RQ2 광흡수 계수와 실체 질량은 AGeX₃ 재료의 태양전지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스핀-오비트 결합 및 하이브리드 기능 보정은 전자 밴드 구조를 정확히 예측하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 가장자리 및 도핑 전도대 수준의 절대 에너지 수준은 일반적인 전자 및 정공 수송층과 어떻게 정렬되는가?

주요 결과

• HSE06 함수를 사용할 경우 CsGeI₃와 RbGeI₃는 약 1.15–1.20 eV의 직접 밴드 갭을 나타내어 단일 접합 태양전지에 적합하다.
• CsGeI₃의 광흡수 계수는 가시광선 범위에서 1×10⁵ cm⁻¹를 초과하여 강력한 빛 흡수 능력을 나타낸다.
• CsGeI₃의 전자 및 정공 효율 질량은 각각 0.18mₑ 및 0.22mₑ로 나타나 높은 실체 이동도를 의미한다.
• CsGeI₃의 준위 결합 에너지는 약 0.12 eV로 낮아 효율적인 전하 분리에 유리하다.
• CsGeI₃의 절대 최고 가소대(VBM)는 진공 기준 -5.82 eV로 계산되었으며, 최저 도핑대(CBM)는 -4.62 eV였다.
• AX 및 GeX₂ 종단 표면 슬립 모델은 안정된 표면 구조와 밀도 흐름의 일관된 밴드 정렬을 확인하였다.