[论文解读] Computational Study of Defect variant Perovskites A2BX6 for Photovoltaic Applications

Muhammad Faizan, K.C. Bhamu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2020

Perovskite Materials and Applications参考文献 66被引用 13

一句话总结

本计算研究利用密度泛函理论，系统研究了无铅A2BX6钙钛矿（A = Rb, Cs；B = Sn, Pd, Pt；X = Cl, Br, I）的结构、电子和光学性质，以评估其在光伏应用中的潜力。最具前景的候选材料Rb2PdBr6和Cs2PtI6表现出0.9–1.6 eV的最优带隙，以及高介电常数和强光学吸收，表明其在高效单结太阳能电池中具有巨大潜力。

ABSTRACT

A comprehensive study of the structural, electronic, and optical properties of lead-free perovskites has been carried out by means of first principles method based on DFT. The calculations are performed for the compound of the type A2BX6 with A=Rb, and Cs; B=Sn, Pd, and Pt; and X=Cl, Br, and I. The calculated structural parameters (lattice constants and bond lengths) agree well with the experiments. The computed band gap reveals a semiconducting profile for all these compounds showing a decreasing trend of the band gap energy by changing the halide ions consecutively from Cl to Br and Br to I. However, for variation in the B-site cation, the band gap increases by changing the cation from Pd to Pt via Sn. The most likely compounds, Rb2PdBr6 and Cs2PtI6, exhibit a band gap within the optimal range of 0.9-1.6 eV for single-junction photovoltaic applications. The optical properties in terms of the optimal value of the dielectric constant, optical conductivity, and absorption coefficient are also investigated upto the photon energy of 10 eV. Our results indicate that upon changing the halogen ions (Cl by Br and Br by I) the optical properties altered significantly. Maximum dielectric constants and high optical absorption are found for Rb2PdI6 and Cs2PtI6. The unique optoelectronic properties such as ideal band gap, high dielectric constants, and optimum absorption of A2BX6 perovskites could be efficiently utilized in designing high performance single and multi-junction perovskite solar cells.

研究动机与目标

• 识别具有最优光电性能的无铅A2BX6钙钛矿化合物，以适用于单结光伏应用。
• 研究A位（Rb, Cs）、B位（Sn, Pd, Pt）和X位（Cl, Br, I）阳离子对结构、电子和光学性质的影响。
• 确定带隙趋势，并识别处于0.9–1.6 eV理想范围内的化合物，以实现高效的太阳能转换。
• 评估介电常数、光学电导率和吸收系数在10 eV光子能量范围内的性能，以评估其光伏适用性。
• 为设计高性能、稳定且无毒的钙钛矿太阳能电池提供理论基础。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA）结合PBE泛函的从头算密度泛函理论（DFT）计算。
• 对晶格常数和键长等结构参数进行优化，并与实验数据进行验证。
• 计算电子能带结构和态密度，以确定带隙趋势和半导体行为。
• 计算介电常数、光学电导率和吸收系数等光学性质，能量范围达10 eV。
• 通过系统改变A、B和X元素，实现对A2BX6族中性质趋势的对比分析。
• 使用VASP代码，采用平面波基组和500 eV能量截断进行计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些A2BX6钙钛矿组成具有在单结太阳能电池理想范围内的带隙（0.9–1.6 eV）？
• RQ2 带隙能量如何随卤素阴离子（Cl, Br, I）和B位阳离子（Sn, Pd, Pt）的取代而变化？
• RQ3 最具前景候选材料的光学性质，特别是介电常数和吸收系数，如何？
• RQ4 晶格常数和键长等结构参数与实验测量结果的相关性如何？
• RQ5 基于综合光电性能，哪些化合物在高性能光伏应用方面最具潜力？

主要发现

• 所研究的所有A2BX6化合物均表现出半导体能带结构，且带隙随X位从Cl到Br再到I而减小。
• 当B位阳离子从Sn变为Pd再变为Pt时，带隙增大，其中Cs2PtI6的带隙约为1.0 eV。
• Rb2PdBr6和Cs2PtI6的带隙位于单结光伏应用的理想0.9–1.6 eV范围内。
• Rb2PdI6和Cs2PtI6表现出最高的介电常数和最强的光学吸收，尤其在可见光区域。
• Cs2PtI6和Rb2PdI6在可见光区域的光学电导率和吸收系数显著峰值，表明其具有优异的光捕获潜力。
• 计算得到的结构参数（晶格常数和键长）与现有实验数据吻合良好。