[论文解读] A First-principles study on ABBr3 (A = Cs, Rb, K, Na; B = Ge, Sn) halide perovskites for photovoltaic applications

Dibyajyoti Saikia, Mahfooz Alam+4 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Perovskite Materials and Applications被引用 4

一句话总结

这项从头算研究调查了ABBr₃（A = Cs, Rb, K, Na；B = Ge, Sn）卤化物钙钛矿作为光伏应用无铅候选材料的性能。研究发现所有化合物均具有1.10至1.97 eV之间的直接带隙，并在紫外-可见光谱范围内表现出强烈的光学吸收（>10⁵ cm⁻¹），表明其在高效太阳能转换方面具有巨大潜力。

ABSTRACT

In recent years, halide perovskite-based solar cells have received intensive attention, and demonstrated power conversion efficiency as high as 25.8%. With regard to the toxicity of Pb and the instability of organic elements, all inorganic lead-free perovskites (ILPs) have been extensively studied to achieve comparable or greater photovoltaic performance. In order to develop ILPs as an alternative for solar cell applications, we performed first-principles calculations of ABBr3 perovskites (A = Cs, Rb, K, and Na, and B = Sn, and Ge). Structural, electronic, and optical properties were systematically studied to probe the potentiality in photovoltaic applications. All these ILPs exhibited a direct bandgap in the range of 1.10 to 1.97 eV, highly beneficial for absorbing solar energy. Furthermore, these ILPs demonstrated significant optical absorption (over 105 cm-1) in the whole UV-Vis spectrum. These results will be helpful for designing highly efficient lead-free perovskite solar cells.

研究动机与目标

• 评估所有无机无铅ABBr₃钙钛矿在光伏应用中的结构、电子和光学性质。
• 通过识别可行的无铅替代材料，解决铅基钙钛矿存在的毒性与稳定性不足等问题。
• 系统评估A位（Cs, Rb, K, Na）和B位（Ge, Sn）阳离子取代对光电性能的影响。
• 识别出具有合适带隙和强光吸收特性的优异候选材料，以实现高效太阳能电池。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA）和DFT+U方法进行密度泛函理论（DFT）计算，以校正自相互作用误差。
• 执行结构优化，以确定平衡晶格参数和原子位置。
• 计算电子能带结构和态密度，以分析带隙特性和电子特性。
• 利用从电子结构计算中获得的介电函数计算光学吸收系数。
• 基于高对称点处的能带结构，分析带隙的直接或间接特性。
• 评估紫外-可见光谱范围内吸收边和吸收强度，以评估太阳能收集潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同A位和B位阳离子的ABBr₃钙钛矿的结构稳定性和平衡晶格参数如何？
• RQ2 这些ABBr₃钙钛矿是直接带隙还是间接带隙？其带隙能量范围是多少？
• RQ3 在整个太阳光谱范围内，特别是紫外-可见区域，光学吸收有多强？
• RQ4 哪些A位和B位组合可实现最适合光伏应用的光电性能？
• RQ5 这些全无机无铅钙钛矿能否在关键光伏指标上达到甚至超过铅基材料的性能？

主要发现

• 所有研究的ABBr₃钙钛矿均表现出直接带隙，带隙值在1.10 eV至1.97 eV之间，非常有利于高效太阳能吸收。
• 在整个紫外-可见光谱范围内，光学吸收系数均超过10⁵ cm⁻¹，表明其具有强大的光子吸收能力。
• CsSnBr₃和RbSnBr₃的带隙特别理想，位于1.10–1.20 eV之间，接近单结太阳能电池的理想范围。
• 锗基钙钛矿（如CsGeBr₃）表现出较宽的带隙（1.60–1.97 eV），适用于叠层或顶电池应用。
• 电子结构分析证实Br-p轨道与B位p轨道之间存在强烈的杂化，有助于实现优良的电荷传输性能。
• 结果表明，这些全无机无铅钙钛矿因其合适的带隙和高吸收系数，是下一代光伏器件的有前途候选材料。