[论文解读] Structural and optoelectronic properties of the inorganic perovskites AGeX3 (A = Cs, Rb; X = I, Br, Cl) for solar cell application

Un-Gi Jonga, Chol‐Jun Yu+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 19被引用 4

一句话总结

本研究采用PBEsol和HSE06泛函的密度泛函理论，研究了无机钙钛矿AGeX₃（A = Cs, Rb；X = I, Br, Cl）的结构和光电性质。结果表明，CsGeI₃和RbGeI₃因其合适的带隙、强可见光吸收、低有效质量及适中的激子结合能，是太阳能电池的有前途候选材料。

ABSTRACT

We predict the structural, electronic and optic properties of the inorganic Ge-based halide perovskites AGeX3 (A = Cs, Rb; X = I, Br, Cl) by using first-principles method. In particular, absolute electronic energy band levels are calculated using two different surface terminations of each compound, reproducing the experimental band alignment.

研究动机与目标

• 评估无机AGeX₃钙钛矿（A = Cs, Rb；X = I, Br, Cl）在光伏应用中的结构稳定性和电子性质。
• 基于带隙、吸收系数和载流子有效质量，确定AGeX₃家族中最合适的候选材料。
• 利用表面晶 slab 模型和内层电子能级参考，估算绝对电子能级，以实现精确的能带对齐。
• 评估自旋-轨道耦合和杂化泛函（HSE06）校正对带隙和光学性质预测准确性的影响。

提出的方法

• 采用PBEsol泛函和投影缀加平面波（PAW）基组进行结构弛豫和电子结构计算。
• 应用HSE06杂化泛函以提高带隙预测的准确性，用20%的精确哈特ree-福克交换替代PBE交换。
• 利用从密度泛函微扰理论（DFPT）导出的介电函数计算光吸收系数。
• 通过布里渊区Z点附近能带曲率的数值计算，获得电子和空穴的有效质量。
• 基于约化有效质量和静态介电常数，利用类氢模型估算激子结合能。
• 通过表面slab模型中的Ge 1s内层电子能级和真空能级参考，确定绝对能级（VBM和CBM）。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些AGeX₃钙钛矿组成具有适合高效太阳能转换的最优带隙？
• RQ2 光吸收系数和载流子有效质量如何影响AGeX₃材料的光伏性能？
• RQ3 自旋-轨道耦合和杂化泛函校正确对准确预测电子能带结构起到什么作用？
• RQ4 价带最大值和导带最小值的绝对能级如何与常见的电子和空穴传输层对齐？

主要发现

• 使用HSE06泛函时，CsGeI₃和RbGeI₃表现出约1.15–1.20 eV的直接带隙，适合用于单结太阳能电池。
• CsGeI₃在可见光范围内的光吸收系数超过1×10⁵ cm⁻¹，表明其具有优异的光捕获能力。
• CsGeI₃中电子和空穴的有效质量分别为0.18mₑ和0.22mₑ，表明载流子迁移率较高。
• CsGeI₃中激子结合能估算为0.12 eV，足够低以促进高效的电荷分离。
• CsGeI₃的绝对价带最大值（VBM）为-5.82 eV（相对于真空能级），导带最小值（CBM）为-4.62 eV。
• 具有AX和GeX₂端面的表面slab模型证实了稳定的表面结构，并与体相趋势一致的能带对齐。