[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用密度泛函理论（DFT）研究了无铅双钙钛矿 Cs2AgSbX6（X = Cl, Br, I）在光电器件与热电应用中的性能。这些化合物表现出可调的间接带隙（0.64–2.08 eV）、强紫外至可见光吸收、低有效电子质量以及高热电优值，表明其在太阳能电池和高效热电器件中具有巨大潜力。

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.

研究动机与目标

• 评估无铅双钙钛矿 Cs2AgSbX6（X = Cl, Br, I）在可持续光电器件与热电应用中的电子与结构特性。
• 通过识别可行的无铅替代材料，解决铅基钙钛矿相关的环境与稳定性问题。
• 研究通过阴离子取代（Cl, Br, I）对光电与热电性能的可调性。
• 评估这些材料在单结与多结太阳能电池以及高效热电器件中的应用潜力。
• 利用从头算计算量化关键输运性质，如塞贝克系数、功率因子与优值。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）结合WC-GGA泛函计算结构参数与电子能带结构。
• 使用mBJ势准确描述Cs2AgSbX6化合物的半导体特性与带隙。
• 基于DFT得到的介电函数，计算光学性质，包括吸收系数与折射率。
• 通过BoltzTrap程序计算热电输运性质（塞贝克系数、电阻率、功率因子与优值）。
• 分析电子与空穴的有效质量，以评估载流子迁移率与输运效率。
• 系统比较X = Cl、Br与I的结果，评估阴离子尺寸对电子与输运性质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cs2AgSbX6（X = Cl, Br, I）的电子能带结构与带隙是什么？其随阴离子类型如何变化？
• RQ2 在Cs2AgSbX6中，阴离子取代如何影响光学性质（包括吸收与折射率）？
• RQ3 Cs2AgSbX6中载流子有效质量与迁移率的趋势如何？其对光电性能有何影响？
• RQ4 Cs2AgSbX6化合物的热电输运性质（塞贝克系数、功率因子、优值）如何随阴离子变化？
• RQ5 Cs2AgSbX6材料能否在保持低热导率与高电导率的同时实现高热电优值？

主要发现

• Cs2AgSbX6具有立方结构，晶格常数随阴离子从Cl的10.65 Å增至Br的11.14 Å，再增至I的11.86 Å。
• mBJ泛函预测其为间接带隙半导体，带隙分别为2.08 eV（Cl）、1.37 eV（Br）与0.64 eV（I），表明适用于单结与多结太阳能电池。
• 随着阴离子质量增加，光学吸收峰向低能量移动，最大吸收位于紫外至可见光范围。
• 在零能量处，折射率从Cl的3.1降至Br的2.2，再降至I的1.97，反映出大阴离子导致介电响应减弱。
• 电子有效质量小于空穴有效质量，表明电子迁移率更高，电子输运性能更优。
• 化合物表现出负温度系数电阻率，证实其半导体特性，且具有高功率因子与有利的热电优值，尤其在I基化合物中表现突出。