[論文レビュー] Computational Study of Defect variant Perovskites A2BX6 for Photovoltaic Applications

Muhammad Faizan, K.C. Bhamu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2020

Perovskite Materials and Applications参考文献 66被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論を用いて、リードフリーのA2BX6ペロブスカイト（A = Rb, Cs; B = Sn, Pd, Pt; X = Cl, Br, I）の構造的、電子的、光学的特性を評価し、太陽電池応用における可能性を調査した。最も有望な候補であるRb2PdBr6とCs2PtI6は、0.9–1.6 eVの最適バンドギャップと高い誘電率および光学吸収を示しており、高効率の単接合太陽電池への強い可能性を示している。

ABSTRACT

A comprehensive study of the structural, electronic, and optical properties of lead-free perovskites has been carried out by means of first principles method based on DFT. The calculations are performed for the compound of the type A2BX6 with A=Rb, and Cs; B=Sn, Pd, and Pt; and X=Cl, Br, and I. The calculated structural parameters (lattice constants and bond lengths) agree well with the experiments. The computed band gap reveals a semiconducting profile for all these compounds showing a decreasing trend of the band gap energy by changing the halide ions consecutively from Cl to Br and Br to I. However, for variation in the B-site cation, the band gap increases by changing the cation from Pd to Pt via Sn. The most likely compounds, Rb2PdBr6 and Cs2PtI6, exhibit a band gap within the optimal range of 0.9-1.6 eV for single-junction photovoltaic applications. The optical properties in terms of the optimal value of the dielectric constant, optical conductivity, and absorption coefficient are also investigated upto the photon energy of 10 eV. Our results indicate that upon changing the halogen ions (Cl by Br and Br by I) the optical properties altered significantly. Maximum dielectric constants and high optical absorption are found for Rb2PdI6 and Cs2PtI6. The unique optoelectronic properties such as ideal band gap, high dielectric constants, and optimum absorption of A2BX6 perovskites could be efficiently utilized in designing high performance single and multi-junction perovskite solar cells.

研究の動機と目的

• 単接合太陽電池応用に最適な光学・電気的特性を有するリードフリーのA2BX6ペロブスカイト化合物を同定すること。
• Aサイト（Rb, Cs）、Bサイト（Sn, Pd, Pt）、Xサイト（Cl, Br, I）のカチオンが構造的、電子的、光学的特性に与える影響を調査すること。
• バンドギャップの傾向を特定し、効率的な太陽エネルギー変換に適した0.9–1.6 eVの範囲に収まる化合物を同定すること。
• 太陽電池適合性を評価するため、10 eVまでの光子エネルギーにおける誘電率、光学伝導度、吸収係数を評価すること。
• 高性能で安定的かつ非毒性なペロブスカイト太陽電池の設計に理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）とPBE関数を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 格子定数や結合距離を含む構造的パラメータを最適化し、実験データと照合した。
• バンド構造と状態密度を計算して、バンドギャップの傾向と半導体的挙動を特定した。
• 誘電率、光学伝導度、吸収係数を含む光学的特性を、10 eVまでの光子エネルギーまで計算した。
• A, B, X元素の系統的変更により、A2BX6族全体における特性傾向の比較的分析が可能になった。
• 平面波基底関数と500 eVのエネルギーカットオフを用いて、VASPコードで計算を実行した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのA2BX6ペロブスカイト組成が、単接合太陽電池に最適な0.9–1.6 eVのバンドギャップを有するか？
• RQ2 ハライドアニオン（Cl, Br, I）およびBサイトカチオン（Sn, Pd, Pt）置換によって、バンドギャップエネルギーはどのように変化するか？
• RQ3 最も有望な候補の光学的特性、特に誘電率と吸収係数は何か？
• RQ4 格子定数や結合距離などの構造的パラメータは、実験測定値とどのように相関するか？
• RQ5 光学・電気的特性を総合的に評価した場合、どの化合物が高性能な太陽電池応用に最も適しているか？

主な発見

• 本研究で検討されたすべてのA2BX6化合物は、半導体的バンド構造を示し、XサイトのClからBr、Iに移行するに従いバンドギャップが減少する。
• BサイトカチオンをSnからPd、Ptに変更するとバンドギャップが増加し、Cs2PtI6は約1.0 eVのバンドギャップを示す。
• Rb2PdBr6とCs2PtI6は、単接合太陽電池に最適な0.9–1.6 eVの範囲にバンドギャップを有する。
• Rb2PdI6とCs2PtI6は、最も高い誘電率と強い光学吸収を示し、特に可視光領域で顕著である。
• Cs2PtI6とRb2PdI6では、光学伝導度および吸収係数が可視光領域で顕著にピークを示し、優れた光吸収能力を示す。
• 計算された構造的パラメータ（格子定数および結合距離）は、利用可能な実験データと良好に一致している。