[论文解读] Relativistic Solar Cells

Paolo Umari, Edoardo Mosconi+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2013

Perovskite Materials and Applications参考文献 24被引用 759

一句话总结

本文提出了一种结合自旋-轨道耦合的高效GW方法，以精确模拟混合AMX3钙钛矿CH3NH3SnI3和CH3NH3PbI3的电子、光学和输运性质。关键发现是，相对论效应——尤其是自旋-轨道耦合——完全解释了CH3NH3PbI3在光伏性能上优于CH3NH3SnI3的原因，尽管后者的带隙更窄。

ABSTRACT

Hybrid AMX3 perovskites (A=Cs, CH3NH3; M=Sn, Pb; X=halide) have revolutionized the scenario of emerging photovoltaic technologies. Introduced in 2009 by Kojima et al., a rapid evolution very recently led to 15% efficient solar cells. CH3NH3PbI3 has so far dominated the field, while the similar CH3NH3SnI3 has not been explored for photovoltaic applications, despite the reduced band-gap. Replacement of Pb by the more environment-friendly Sn would facilitate the large uptake of perovskite-based photovoltaics. Despite the extremely fast progress, the materials electronic properties which are key to the photovoltaic performance are relatively little understood. Here we develop an effective GW method incorporating spin-orbit coupling which allows us to accurately model the electronic, optical and transport properties of CH3NH3SnI3 and CH3NH3PbI3, opening the way to new materials design. The different CH3NH3SnI3 and CH3NH3PbI3 properties are discussed in light of their exploitation for solar cells, and found to be entirely due to relativistic effects.

研究动机与目标

• 理解CH3NH3SnI3和CH3NH3PbI3的电子、光学和输运性质，这些性质对光伏性能至关重要。
• 解决尽管太阳能电池效率迅速提升，但对杂化钙钛矿基本电子性质仍缺乏理解的问题。
• 探讨为何CH3NH3PbI3在光伏应用中优于CH3NH3SnI3，尽管后者的带隙更小。
• 开发一种可靠的计算方法，能够准确捕捉这些材料中的相对论效应。
• 通过明确自旋-轨道耦合和相对论效应的作用，为未来设计高效、无铅钙钛矿太阳能电池提供支持。

提出的方法

• 本研究采用一种包含自旋-轨道耦合的高效GW方法，以计算电子结构性质。
• 使用GW方法计算准粒子能级，以校正标准DFT中固有的自相互作用误差。
• 显式引入自旋-轨道耦合，以考虑Pb和Sn等重元素中的相对论效应。
• 该方法可准确预测带隙、有效质量及光学吸收光谱。
• 对CH3NH3SnI3和CH3NH3PbI3均进行计算，以比较其电子和光学响应。
• 通过与可用实验数据对比，对方法进行验证，尤其针对CH3NH3PbI3。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋-轨道耦合在决定CH3NH3SnI3和CH3NH3PbI3电子结构中的作用是什么？
• RQ2 为何CH3NH3PbI3在带隙更宽的情况下仍表现出优于CH3NH3SnI3的光伏性能？
• RQ3 相对论效应如何影响这些钙钛矿的能带排列、有效质量和光学性质？
• RQ4 一种包含自旋-轨道耦合的精确GW方法能否可靠预测杂化钙钛矿的输运和光学行为？
• RQ5 相对论效应在多大程度上解释了铅基与锡基钙钛矿之间的性能差异？

主要发现

• 在GW方法中引入自旋-轨道耦合显著提高了对CH3NH3SnI3和CH3NH3PbI3带隙预测的准确性。
• 相对论效应——特别是自旋-轨道耦合——主导了CH3NH3SnI3与CH3NH3PbI3之间电子结构的差异。
• 自旋-轨道耦合对CH3NH3PbI3带隙的减小作用比对CH3NH3SnI3更显著，从而增强了其光伏效率。
• 由于更强的自旋-轨道耦合，CH3NH3PbI3中电子的有效质量低于CH3NH3SnI3，有利于更好的电荷输运。
• 光学吸收光谱显示，CH3NH3PbI3在可见光范围内的吸收强于CH3NH3SnI3，这主要归因于相对论效应。
• 本研究证实，CH3NH3PbI3性能优越并非仅因带隙，而是根本上源于相对论电子效应。