[論文レビュー] Electronic structure, optical property and improved stability of mixed halide perovskite CH$_3$NH$_3$Pb(I$_{1-x}$Br$_x$)$_3$ by virtual crystal approximation within DFT

Un-Gi Jong, Chol‐Jun Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2016

Perovskite Materials and Applications被引用数 69

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）内での仮想結晶近似（VCA）を用いて、混合ハライドペロブスカイト CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃ をモデル化し、臭化物含有量（x）の増加に伴い格子定数が線形に拡大し、バンドギャップが2次的に減少することを示した。これはヴェガードの法則と整合的である。主な発見は、x = 0.2 で Pb–X および C–N 結合長が最適化され、太陽電池応用に適した良好なオプトエレクトロニクス特性を示す、安定性の向上である。

ABSTRACT

We investigate the structural, electronic and optical properties of mixed bromide-iodide lead perovskite solar cell CH$_3$NH$_3$Pb(I$_{1-x}$Br$_x$)$_3$ by means of the virtual crystal approximation (VCA) within density functional theory (DFT). Optimizing the atomic positions and lattice parameters increasing the bromide content $x$ from 0.0 to 1.0, we fit the calculated lattice parameter and energy band gap to the linear and quadratic function of Br content, respectively, which are in good agreement with the experiment, respecting the Vegard's law. With the calculated exciton binding energy and light absorption coefficient, we make sure that VCA gives consistent results with the experiment, and the mixed halide perovskites are suitable for generating the charge carriers by light absorption and conducting the carriers easily due to their strong photon absorption coefficient, low exciton bindign energy, and high carrier mobility at low Br contents. Furthermore analyzing the bonding lengths between Pb and X (I$_{1-x}$Br$_x$: virtual atom) as well as C and N, we stress that the stability of perovskite solar cell is definitely improved at $x$=0.2.

研究の動機と目的

• 変化する臭化物含有量の下での混合ハライドペロブスカイト CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃ の構造的・電子的・光学的性質を理解すること。
• 臭化物ドーピング（x）が格子定数とバンドギャップの傾向に与える影響を評価すること。
• Pb–X および C–N 結合長の分析を通じて、ペロブスカイト構造の安定性を評価すること。
• キスロン結合エネルギーと光吸収係数に基づき、混合ハライドペロブスカイトの太陽電池応用の適性を特定すること。

提案手法

• ペロブスカイト格子内の I と Br のランダム固溶体をモデル化するため、仮想結晶近似（VCA）を用いる。
• 電子構造、バンドギャップ、光学的性質を計算するために密度汎関数理論（DFT）を用いる。
• 臭化物含有量（x から 0.0 から 1.0）の増加に伴い、原子位置および格子定数を最適化する。
• 実験と比較するため、格子定数とバンドギャップを x の線形および2次関数にフィッティングする。
• 太陽電池の可能性を評価するために、キスロン結合エネルギーと光吸収係数を計算する。
• 異なる x 値における構造的安定性を評価するために、Pb–X および C–N 結合長を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VCA-DFT計算によれば、臭化物含有量（x）の増加が CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃ の格子定数とバンドギャップにどのように影響するか？
• RQ2 VCA-DFTモデルは、格子拡大とバンドギャップの湾曲（bowing）を示す実験的傾向、例えばヴェガードの法則をどの程度再現するか？
• RQ3 結合長の分析に基づくと、CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃ の構造的安定性が最大になる最適な臭化物含有量（x）は何か？
• RQ4 キスロン結合エネルギーと光吸収係数は、混合ハライドペロブスカイトの太陽電池効率にどのように影響するか？
• RQ5 なぜペロブスカイト構造は x = 0.2 で最も安定であり、Pb–X および C–N 結合長はその要因としてどのように寄与するか？

主な発見

• CH₃NH₃Pb(I₁₋ₓBrₓ)₃ の格子定数は、臭化物含有量（x）に比例して線形に増加し、ヴェガードの法則と整合的である。
• バンドギャップは x の増加に伴い2次的に減少し、実験的傾向と一致しており、VCA-DFT手法の妥当性が裏付けられる。
• キスロン結合エネルギーは低く、光吸収係数は高く、特に x が小さい範囲で、効率的なキャリア生成の強い可能性を示している。
• x = 0.2 において、Pb–X および C–N 結合長が最適化されており、構造的安定性が最大であることが示された。
• 計算された光学的性質およびキャリア輸送特性は、混合ハライドペロブスカイトが太陽電池応用に適していることを確認している。
• VCA-DFTモデルは実験観察と一貫した結果を生み出し、ハライドペロブスカイト固溶体の研究にその有用性が裏付けられている。