[논문 리뷰] Tuning Bandgap and Energy Stability of Organic-Inorganic Halide Perovskites through Surface Engineering

Rahul Singh, Prashant Singh외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 48인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT)을 사용하여, 헥사곤형 붕소질화물(BN) 단층으로 둘러싸인 단층 메틸아미늄 플레오바이드 퍼보스카이트(MAPbI3ML)가 실온에서 에너지 안정성(-25 meV, 300 K에서)을 확보하고, 약 1.6 eV의 최적 금접대역을 가지며 강한 가시광선 흡수(피크 흡수계수: 2.8 eV에서 4.9 × 10⁴ cm⁻¹)를 나타냄을 입증한다. BN-ML/MAPbI3ML 이중구조체는 강한 Pb–N 결합으로 인해 우수한 안정성과 조절 가능한 전자적 운반성능을 보이며, 안정적이고 고성능의 광전자 장치에 이상적이다.

ABSTRACT

Organohalide perovskite with a variety of surface structures and morphologies have shown promising potential owing to the choice of the type of heterostructure dependent stability. We systematically investigate and discuss the impact of 2-dimensional molybdenum-disulphide (MoS2), molybdenum-diselenide (MoSe2), tungsten-disulphide (WS2), tungsten-diselenide (WSe2), boron- nitiride (BN) and graphene monolayers on band-gap and energy stability of organic-inorganic halide perovskites. We found that MAPbI3ML deposited on BN-ML shows room temperature stability (-25 meV~300K) with an optimal bandgap of ~1.6 eV. The calculated absorption coefficient also lies in the visible-light range with a maximum of 4.9 x 104 cm-1 achieved at 2.8 eV photon energy. On the basis of our calculations, we suggest that the encapsulation of an organic-inorganic halide perovskite monolayers by semiconducting monolayers potentially provides greater flexibility for tuning the energy stability and the bandgap.

연구 동기 및 목표

• 2D 물질과 인터페이스된 단층 유기-무기 할라이드 퍼보스카이트(MAPbI3ML)의 에너지 안정성과 전자 구조를 조사하기 위해.
• 조절 가능한 금접대역과 향상된 광전자 성능을 가능하게 하는 가장 안정적인 2D 이중구조체 구성을 규명하기 위해.
• MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, BN, 그래핀와 같은 다양한 2D 물질이 MAPbI3ML의 열역학적 안정성과 전자적 성질에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 태양전지 및 열전 응용 분야에서 안정적이고 고성능의 퍼보스카이트 기반 이중구조체를 설계하기 위한 기본 원칙을 제공하기 위해.

제안 방법

• PBE 교환-상관 기능과 PAW 기저함수를 사용한 VASP 패키지를 이용한 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 에너지 및 힘 수렴 임계값이 각각 10⁻⁵ eV 및 0.01 eV/Å인 기하구조 최적화 및 전자 구조 계산.
• X-ML/MAPbI3ML 이중구조체의 열역학적 안정성을 평가하기 위한 결합 에너지 계산 (X = MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, BN, 그래핀).
• 주파수 의존 성분의 유전율 매트릭스를 사용한 광학적 성질 계산 (70 k점 중심의 감마-중심 k메쉬 사용).
• VASP와 연계된 BoltzTrap을 이용한 운반성 및 열전 성질 계산 (정확한 도함수 계산을 위한 70,000 k점 메쉬 사용).
• BN-ML/MAPbI3ML에서의 이sovotropic 운반성능 평가를 위한 밴드 구조, 밀도 상태, 효율 질량 텐서 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 단층 MAPbI3ML에 대해 가장 높은 에너지 안정성을 제공하는 2D 캡핑 층은 무엇인가요?
• RQ2 BN, 그래핀, 전이 금속 디칼코겐화합물 등 다양한 2D 물질의 선택이 MAPbI3ML의 금접대역과 광학적 흡수에 어떤 영향을 미치는가요?
• RQ3 BN-ML/MAPbI3ML의 인터페이스 화학 결합(Pb–N 등)이 퍼보스카이트 단층의 안정성에 어떤 역할을 하는가요?
• RQ4 BN-ML/MAPbI3ML에서의 효율 질량 및 운반성 이방성은 광전자 성능에 어떤 영향을 미치는가요?
• RQ5 BN-ML/MAPbI3ML의 열전력 인자 행동은 다양한 운반체 농도와 온도에서 어떻게 변화하는가요?

주요 결과

• BN-ML/MAPbI3ML 이중구조체는 연구된 모든 2D 퍼보스카이트 이중구조체 중에서 가장 높은 에너지 안정성을 보이며, 결합 에너지가 -25 meV로 300 K에서 실온 안정성을 나타낸다.
• BN-ML/MAPbI3ML의 금접대역은 약 1.6 eV로 조정되어 단일 접합 퍼보스카이트 태양전지의 최적 범위 내에 있다.
• 2.8 eV 광자 에너지에서 흡수계수는 최대 4.9 × 10⁴ cm⁻¹에 도달하여 태양전지 응용에 적합한 강한 가시광선 흡수를 나타낸다.
• BN-ML/MAPbI3ML의 효율 질량 텐서는 이방성을 보이며, x방향에서 더 높은 값을 가지며, 이는 y방향에서 더 높은 정공 이동도를 의미한다.
• BN-ML/MAPbI3ML의 열전력 인자는 온도와 운반체 농도가 증가함에 따라 최고점에 도달한 후 감소하는데, 이는 고도의 도핑 수준에서 Seebeck 계수가 감소하기 때문이다.
• BN 인터페이스에서 특이한 Pb–N 결합이 주기적인 Pb(I5N) 옥타에드론을 형성하며, 이는 BN-ML/MAPbI3ML에서 향상된 안정성의 핵심 화학적 기원으로 규명되었다.