[論文レビュー] High-Throughput Screening for Band gap Engineering by Sublattice Mixing of Cs$_2$AgBiCl$_6$ from First-Principles

Deepika Gill, Preeti Bhumla+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2020

Perovskite Materials and Applications参考文献 59被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、スピン軌道結合を含むDFTを用いた高スループットの第一原理計算を用い、Cs2AgBiCl6のバンドギャップをAg/BiサイトにおけるM(I)、M(II)、M(III)カチオンのスブルーラティス混合を用いて工学的に設計した。19の安定した構成が、太陽電池に適したチューナブルな直接バンドギャップを有することが同定され、Ge(II)およびSn(II)置換では、それぞれ32.08%および30.91%の分光的限界最大効率（SLME）を達成した。

ABSTRACT

The lead-free double perovskite material (viz. Cs$_2$AgBiCl$_6$) has emerged as an efficient and environmentally friendly alternative to lead halide perovskites. To make Cs$_2$AgBiCl$_6$ optically active in the visible region of solar spectrum, band gap engineering approach has been undertaken. Using Cs$_2$AgBiCl$_6$ as a host, band gap and optical properties of Cs$_2$AgBiCl$_6$ have been modulated by alloying with M(I), M(II), and M(III) cations at Ag-/Bi-sites. Here, we have employed density functional theory (DFT) with suitable exchange-correlation functionals in light of spin-orbit coupling (SOC) to determine the stability, band gap and optical properties of different compositions, that are obtained on Ag-Cl and Bi-Cl sublattices mixing. On analyzing the 64 combinations within Cs$_2$AgBiCl$_6$, we have identified 19 promising configurations having band gap sensitive to solar cell applications. The most suitable configurations with Ge(II) and Sn(II) substitutions have spectroscopic limited maximum efficiency (SLME) of 32.08% and 30.91%, respectively, which are apt for solar cell absorber.

研究の動機と目的

• Cs2AgBiCl6のバンドギャップを工学的に設計することで、鉛フリーで安定的かつ効率的な太陽光吸収材料を開発すること。
• 大間隔間接バンドギャップや酸化またはパリティ禁止遷移による不安定性といった、既存の二重ペロブスカイトの制限を克服すること。
• 直接バンドギャップを有し、可視光スペクトルにおける光学的吸収が向上するAg/Biサイトにおける最適なカチオン置換を同定すること。
• スピン軌道結合を含む第一原理手法を用いて、熱力学的安定性およびオプトエレクトロニクス的性能を予測すること。
• 太陽電池応用に向けた有望な構成の分光的限界最大効率（SLME）を特定すること。

提案手法

• PBEおよびHSE06交換相関関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いて、64種の異なるカチオン組成の高スループットスクリーニングを実施した。
• Biなどの重い原子に起因するバンド構造効果を正確に捉えるために、すべての計算にスピン軌道結合（SOC）を組み込んだ。
• 構造的安定性はゴールトシュミットの許容係数および正八面体因子を用いて評価し、熱力学的安定性は生成熱（ΔH_D）を用いて検証した。
• 価電子帯および伝導帯端の軌道的寄与を特定するために、電子バンド構造および部分密度状態（pDOS）を分析した。
• 光学的応答および吸収開始を評価するために、HSE06を用いて誘電関数（実部および虚部）を計算した。
• 安定で直接バンドギャップを有する構成の分光的限界最大効率（SLME）を計算し、太陽電池としての可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cs2AgBiCl6のAg/Biサイトにおけるどのカチオン置換が熱力学的に安定で、直接バンドギャップを有する二重ペロブスカイトを生成するか？
• RQ2 M(I)、M(II)、M(III)カチオンのスブルーラティス混合が、Cs2AgBiCl6のバンドギャップおよび光学的吸収端をどのように制御するか？
• RQ3 スピン軌道結合が、これらの系におけるバンドギャップの正確さおよびバンド端の整列に与える影響は何か？
• RQ4 どの構成が太陽電池応用において最高の分光的限界最大効率（SLME）を示すか？
• RQ5 価電子帯最大および伝導帯最小における軌道の混合は、光学的活性およびバンドギャップ工学にどのように影響するか？

主な発見

• 64の構成のうち、19が可視光吸収に適したバンドギャップを有する熱力学的に安定な構成として同定された。
• Ag/BiサイトにおけるGe(II)置換は、PBE+SOCを用いて1.62 eVの直接バンドギャップおよび32.08%の分光的限界最大効率（SLME）を達成した。
• Sn(II)置換は、PBE+SOCを用いて1.06 eVの直接バンドギャップおよび30.91%のSLMEを示し、太陽電池応用に極めて適していることが判明した。
• Au(I)、Cu(I)、In(III)などのカチオン置換はバンドギャップの顕著な低下をもたらしたが、多くの場合高い生成熱に起因する熱力学的不安定性を示した。
• スピン軌道結合の組み込みは極めて重要であり、PBEで予測されたバンドギャップ（2.06 eV）を1.68 eVに低減させ、実験値との一致を改善した。
• pDOS解析により、バンドギャップのチューニングが、価電子帯最大でBi 6sおよびCl 3p軌道の混合、および伝導帯最小でAg 4d/Ge 4p軌道の混合に起因することが明らかになった。