[論文レビュー] Investigation of the lead-free double perovskites Cs2AgSbX6 (X= Cl, Br, I) for optoelectronic and thermoelectric applications

G. Murtaza|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2020

Perovskite Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、発光・熱電用途に向けた鉛フリー二重ペロブスカイトCs2AgSbX6（X = Cl, Br, I）を調査した。化合物は調整可能な間接ギャップ（0.64–2.08 eV）、強い紫外〜可視光吸収、低い有効電子質量、および高い熱電効率を示し、太陽電池および効率的な熱電デバイスへの応用可能性が顕著である。

ABSTRACT

Perovskite compounds have the potential to harvest solar energy as well as exploit the thermoelectric potential of a number of available materials. Here, we present the electronic, structural, thermoelectric, and optical properties of Cs2AgSbX6 (X = Cl, Br, I) perovskite with the help of the density functional theory (DFT). The WC-GGA approximation was used to calculate the structural parameters. All these compounds crystalize in a cubic unit cell with lattice constant increasing from 10.65 Å (Cl) to 11.14 Å (Br) to 11.86 Å (I). The mBJ-functional shows a semiconducting nature for these compounds with an indirect band gap lying at the L-X symmetry points. The optical conductivity and absorption coefficient show their peaks in the ultraviolet region, moving towards a lower energy range by inserting large size anion. The band gap of these compounds (2.08, 1.37, 0.64 eV) indicates their potential in single and multijunction solar cells. The value of refractive index at zero energy was evaluated to be 3.1, 2.2, and 1.97 for Cs2AgSbCl6, Cs2AgSbBr6 and Cs2AgSbI6. Effective mass of electrons is smaller than those of holes resulting in higher carrier mobility for electrons. The Seebeck coefficient, power factor, and the figure of merit were computed using the BoltzTrap code. The negative temperature coefficient of resistivity also supports the semiconductor nature of these compounds. The high electrical, small thermal conductivity, positive Seebeck coefficient, and the optimum figure of merit make these compounds suitable for thermoelectric applications.

研究の動機と目的

• 鉛フリー二重ペロブスカイトCs2AgSbX6（X = Cl, Br, I）の電子的および構造的性質を評価し、持続可能な光電および熱電応用に向けた可能性を検討すること。
• 鉛含有ペロブスカイトに伴う環境的・安定性上の懸念を解消するため、代替として実現可能な鉛フリー材料を同定すること。
• ハロゲンアニオン置換（Cl, Br, I）による光電および熱電特性の調整可能性を調査すること。
• これらの材料が単接合および多接合太陽電池、および効率的な熱電デバイスに果たす可能性を評価すること。
• 第一原理計算を用いて、Seebeck係数、電力因子、および効率の指標（figure of merit）を含む主な輸送特性を定量すること。

提案手法

• 構造的パラメータおよび電子的バンド構造を計算するために、WC-GGA関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• Cs2AgSbX6化合物の半導体的性質およびギャップを正確に記述するため、mBJポテンシャルを用いた。
• DFTから得た誘電関数を基に、吸収係数および屈折率を含む光学的性質を計算した。
• BoltzTrapコードを用いて、熱電輸送特性（Seebeck係数、電気抵抗率、電力因子、効率の指標）を計算した。
• キャリア移動度および輸送効率を評価するために、電子および正孔の有効質量を分析した。
• X = Cl, Br, Iの各条件を体系的に比較し、アニオンサイズが電子的および輸送特性に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cs2AgSbX6（X = Cl, Br, I）の電子的バンド構造およびギャップは何か？また、アニオンの種類に応じてどのように変化するか？
• RQ2 Cs2AgSbX6におけるアニオン置換に伴い、吸収および屈折率を含む光学的性質はどのように変化するか？
• RQ3 Cs2AgSbX6におけるキャリア有効質量および移動度の傾向は何か？また、これにより光電性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 Cs2AgSbX6化合物の熱電輸送特性（Seebeck係数、電力因子、効率の指標）は何か？また、アニオンの種類に応じてどのように変化するか？
• RQ5 Cs2AgSbX6材料は、低熱伝導率と高い電気的伝導度を維持しながら、高い熱電効率の指標を達成できるか？

主な発見

• Cs2AgSbX6は、格子定数がClで10.65 Å、Brで11.14 Å、Iで11.86 Åに増加する立方晶構造をとる。
• mBJ関数は、間接ギャップをそれぞれ2.08 eV（Cl）、1.37 eV（Br）、0.64 eV（I）と予測し、単接合および多接合太陽電池への適性を示している。
• 重いアニオンに伴い、光学的吸収ピークは低エネルギー側にシフトし、最大吸収は紫外〜可視領域に位置する。
• ゼロエネルギーにおける屈折率は、Clで3.1、Brで2.2、Iで1.97に低下し、大きなアニオンに伴い誘電応答が低下していることが示された。
• 電子有効質量は正孔有効質量よりも小さいため、電子移動度が高く、電子輸送が優れている。
• 化合物は負の抵抗率温度係数を示し、半導体的性質を確認しており、高い電力因子および望ましい熱電効率の指標を示しており、特にIを含む組成で顕著である。