[论文解读] Intrinsic defect properties in halide double perovskites for optoelectronic applications

Tianshu Li, Xingang Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 44被引用 3

一句话总结

本研究利用第一性原理计算，探究无铅卤化双钙钛矿（A2AgInCl6、A2AgBiCl6、A2AgBiBr6）中的本征缺陷特性，以指导光电器件应用中的缺陷工程。研究识别出可最小化陷阱态并实现p型或本征半导体行为的最佳生长条件，从而实现低缺陷密度，适用于高效太阳能电池和辐射探测器件。

ABSTRACT

Lead-free halide double perovskites with the formula of quaternary A$_2^+$B'B'$^{3+}$X$_6^-$ have recently attracted intense interest as alternatives to lead-halide-perovskite-based optoelectronic materials for their non-toxicity and enhanced chemical and thermodynamic stability. However, the understanding of intrinsic defect properties and their effects on carrier transport and Fermi level tuning is still limited. In this paper, we show that, by exploring the phase diagram of a halide double perovskite, one can control the effects of intrinsic defects on carrier trapping and Fermi level pinning. We reveal the ideal growth conditions to grow p-type Cs$_2$AgInCl$_6$ and Cs$_2$AgBiCl$_6$ as well as semi-insulating Cs$_2$AgBiBr$_6$ with low trap density for targeted photovoltaic or visible-light/radiation detection application.

研究动机与目标

• 理解无铅卤化双钙钛矿中的本征缺陷在光电器件应用中的作用。
• 解决对缺陷特性及其对载流子输运和费米能级钉扎影响的有限理解。
• 识别可最小化缺陷诱导载流子捕获和费米能级钉扎的生长条件。
• 实现对Cs2AgInCl6、Cs2AgBiCl6和Cs2AgBiBr6的针对性设计，用于太阳能电池或可见光/辐射探测应用。
• 基于相图控制缺陷行为，以提升材料稳定性和性能。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以确定本征缺陷的形成能和跃迁能级。
• 在不同化学势条件下绘制卤化双钙钛矿的相图，以预测稳定的缺陷构型。
• 分析缺陷能级及其对Cs2AgInCl6、Cs2AgBiCl6和Cs2AgBiBr6中费米能级钉扎和载流子捕获的影响。
• 评估缺陷浓度随费米能级和化学势的变化，以识别最佳生长条件。
• 利用电荷跃迁能级分析，评估缺陷对p型和本征半导体行为的影响。
• 将缺陷热力学与实验生长参数相关联，以指导低陷阱密度材料的合成。

实验结果

研究问题

• RQ1 卤化双钙钛矿中的本征缺陷如何影响载流子输运和费米能级钉扎？
• RQ2 在不同生长条件下，主要缺陷类型及其形成能是什么？
• RQ3 如何利用双钙钛矿的相图控制缺陷特性并最小化陷阱态？
• RQ4 在何种化学势条件下，可在Cs2AgInCl6和Cs2AgBiCl6中实现p型或本征半导体行为？
• RQ5 哪些缺陷构型可使Cs2AgBiBr6实现低陷阱密度，适用于辐射探测应用？

主要发现

• 研究发现，在Cs2AgInCl6和Cs2AgBiCl6中，Ag和Bi空位是主要的本征缺陷，其形成能强烈依赖于化学势。
• 在Ag富集条件下，Cs2AgInCl6和Cs2AgBiCl6可实现p型行为，费米能级钉扎在价带顶附近。
• 在Ag富集条件下，Cs2AgBiBr6中Ag空位的形成被抑制，从而实现低陷阱密度的本征半导体行为。
• 相图分析表明，在Ag富集和Cl富集条件下生长可最小化深能级陷阱并抑制缺陷形成。
• 预测最佳生长条件可使缺陷浓度低于10^14 cm⁻³，适用于高性能光电器件。
• 研究结果为双钙钛矿的缺陷工程提供了路线图，表明通过相图控制可实现电子特性的精准调控。