[论文解读] Tuning Bandgap and Energy Stability of Organic-Inorganic Halide Perovskites through Surface Engineering

Rahul Singh, Prashant Singh+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 48被引用 8

一句话总结

本研究利用密度泛函理论（DFT）证明，将单层甲基铵铅碘钙钛矿（MAPbI3ML）封装在六方氮化硼（BN）单层中，可在室温下实现能量稳定性（300 K时为-25 meV），并获得约1.6 eV的最优带隙，具有强烈的可见光吸收能力（峰值吸收系数：2.8 eV时为4.9 × 10⁴ cm⁻¹）。BN-ML/MAPbI3ML异质结构由于存在强Pb–N键合，表现出优异的稳定性与可调的电子输运特性，适用于稳定、高性能的光电器件。

ABSTRACT

Organohalide perovskite with a variety of surface structures and morphologies have shown promising potential owing to the choice of the type of heterostructure dependent stability. We systematically investigate and discuss the impact of 2-dimensional molybdenum-disulphide (MoS2), molybdenum-diselenide (MoSe2), tungsten-disulphide (WS2), tungsten-diselenide (WSe2), boron- nitiride (BN) and graphene monolayers on band-gap and energy stability of organic-inorganic halide perovskites. We found that MAPbI3ML deposited on BN-ML shows room temperature stability (-25 meV~300K) with an optimal bandgap of ~1.6 eV. The calculated absorption coefficient also lies in the visible-light range with a maximum of 4.9 x 104 cm-1 achieved at 2.8 eV photon energy. On the basis of our calculations, we suggest that the encapsulation of an organic-inorganic halide perovskite monolayers by semiconducting monolayers potentially provides greater flexibility for tuning the energy stability and the bandgap.

研究动机与目标

• 研究单层有机-无机卤化钙钛矿（MAPbI3ML）与二维材料界面时的能量稳定性和电子结构。
• 识别能够实现可调带隙和增强光电性能的最稳定二维异质结构配置。
• 评估不同二维材料（MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、BN、石墨烯）对MAPbI3ML热力学稳定性和电子性质的影响。
• 为设计稳定、高性能的钙钛矿基异质结构提供基础性设计原则，适用于光伏和热电应用。

提出的方法

• 采用VASP软件包进行密度泛函理论（DFT）计算，使用PBE交换-关联泛函和PAW基组。
• 几何优化与电子结构计算的能量收敛阈值为10⁻⁵ eV，力收敛阈值为0.01 eV/Å。
• 通过结合能计算评估X-ML/MAPbI3ML异质结构（X = MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、BN、石墨烯）的热力学稳定性。
• 通过频率相关的介电矩阵计算光学性质，采用70个k点的Gamma中心k网格。
• 利用与VASP接口的BoltzTraP程序计算输运与热电性质，采用70,000个k点网格以实现精确的导数计算。
• 通过能带结构、态密度和有效质量张量分析，评估BN-ML/MAPbI3ML中的各向异性载流子输运特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种二维盖层能在室温下为单层MAPbI3ML提供最高的能量稳定性？
• RQ2 选择不同的二维材料（如BN、石墨烯、过渡金属二硫属化物）如何影响MAPbI3ML的带隙和光学吸收？
• RQ3 界面化学键合（如BN-ML/MAPbI3ML中的Pb–N键）在稳定钙钛矿单层中起到何种作用？
• RQ4 BN-ML/MAPbI3ML中的有效质量与载流子输运各向异性如何影响其光电性能？
• RQ5 BN-ML/MAPbI3ML在不同载流子浓度和温度下的热电功率因子行为如何？

主要发现

• BN-ML/MAPbI3ML异质结构在所有研究的二维钙钛矿异质结构中表现出最高的能量稳定性，结合能为-25 meV，等效于300 K时的室温稳定性。
• BN-ML/MAPbI3ML的带隙被调节至约1.6 eV，处于单结钙钛矿太阳能电池的最优范围。
• 在2.8 eV光子能量下，吸收系数达到最大值4.9 × 10⁴ cm⁻¹，表明其具有强烈的可见光吸收能力，适用于光伏应用。
• BN-ML/MAPbI3ML中的有效质量张量表现出各向异性，x方向的值较高，暗示y方向具有更高的空穴迁移率。
• BN-ML/MAPbI3ML的热电功率因子随温度和载流子浓度升高而增加，达到峰值后下降，这是由于高掺杂水平下塞贝克系数降低所致。
• 在BN界面处形成的独特Pb–N键合生成了周期性Pb(I5N)八面体结构，被确定为BN-ML/MAPbI3ML中稳定性增强的关键化学起源。