ПЕРШОПРИНЦИПНЕ МОДЕЛЮВАННЯ СТРУКТУРНИХ, ЕЛЕКТРОННИХ І ОПТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ CH3NH3PbBr3

O. Kozachenko, Oleh Bovgyra, M. Kovalenko, V. Kapustianyk, P. Yakibchuk

Анотація


Гібридні органічно-неорганічні перовскіти привертають значну увагу дослідників завдяки їхньому потенціалу застосування в сонячних елементах, світловипромінюючих і фотовольтаїчних пристроях. Для розуміння фундаментальних властивостей таких матеріалів, у цій роботі ми зосередилися на дослідженні в межах теорії функціоналу густини структурних, електронних та оптичних властивостей кристалів модельного перовскіту CH3NH3PbBr3 у трьох різних фазах. Зміну властивостей досліджуваних кристалічних фаз проаналізовано з використанням різних наближень для обмінно-кореляційного функціоналу. При дослідженні електронних властивостей перовскіту CH3NH3PbBr3 враховувалася зміна електронної структури при включенні до розрахунків спін-орбітальної взаємодії. Результати розрахунків зонно-енергетичної структури показали, що для отримання узгодження між теоретичними та експериментальними результатами потрібно використовувати наближення GGA-PBEsol+U. Для розрахунків ефективних мас носіїв заряду важливим є включення ефектів спін-орбітальної взаємодії. Оптичні властивості показують, що кристали перовскітів на основі CH3NH3PbBr3 мають хорошу здатність до фотонного поглинання та демонструють можливість їхнього використання у широкому діапазоні температур.

Ключові слова: теорія функціоналу густини, ширина забороненої зони, перовскіт, електронна структура, густина станів, оптичні властивості.


Повний текст:

PDF

Посилання


  1. Stranks S. D. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices / S. D. Stranks, H. J. Snaith // Nat. Nanotechnol. – 2015. – Vol. 10. – P. 391–402. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.90
  2. Fan Z. Ferroelectricity of CH3NH3PbI3 Perovskite / Z. Fan, J. Xiao, K. Sun, L. Chen, Y. Hu, J. Ouyang, K. P. Ong, K. Zeng, J. Wang // J. Phys. Chem. Lett. – 2015. – Vol. 6. – P. 1155−1161. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b00389
  3. Sutter-Fella C. M. High Photoluminescence Quantum Yield in Band Gap Tunable Bromide Containing Mixed Halide Perovskites / C. M. Sutter-Fella, Y. Li, M. Amani, J. W. Ager, F. M. Toma, E. Yablonovitch, I. D. Sharp, A. Javey // Nano Lett. – 2016. – Vol. 16. – P. 800−806. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b04884
  4. D’Innocenzo V. Tuning the Light Emission Properties by Band Gap Engineering in Hybrid Lead Halide Perovskite / V. D’Innocenzo, A. R. Srimath Kandada, M. De Bastiani, M. Gandini, A. Petrozza // J. Am. Chem. Soc. – 2014. – Vol. 136. – P. 17730−17733. https://doi.org/10.1021/ja511198f
  5. Kulbak M. Cesium Enhances Long-Term Stability of Lead Bromide Perovskite-Based Solar Cells / M. Kulbak, S. Gupta, N. Kedem, I. Levine, T. Bendikov, G. Hodes, D. Cahen // J. Phys. Chem. Lett. – 2016. – Vol. 7. – P. 167−172. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b02597
  6. Edri E. Chloride Inclusion and Hole Transport Material Doping to Improve Methyl Ammonium Lead Bromide Perovskite-Based High Open-Circuit Voltage Solar Cells / E. Edri, S. Kirmayer, M. Kulbak, G. Hodes, D. Cahen // J. Phys. Chem. Lett. – 2014. – Vol. 5. – P. 429−433. https://doi.org/10.1021/jz402706q
  7. Giannozzi P. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO / P. Giannozzi, O. Andreussi, T. Brumme, O. Bunau, M. B. Nardelli, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, M. Cococcioni // J. Phys. Condens. Matter – 2017. – Vol. 29. – P. 465901. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79
  8. Ghaithan H. M. Density Functional Study of Cubic, Tetragonal, and Orthorhombic CsPbBr3 Perovskite / H. M. Ghaithan, Z. A. Alahmed, S. M. H. Qaid, M. Hezam, A. S. Aldwayyan // ACS Omega – 2020. – Vol. 5. – P. 7468–7480. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c00197
  9. Коваленко М. Структура та електронні властивості перовскіту CsPbBr3: першопринципні розрахунки / М. Коваленко, О. Бовгира, В. Коломієць // Журнал фізичних досліджень. – 2021. – т. 25(4). – С. 4701-1–4701-9. https://doi.org/10.30970/jps.25.4701
  10. Kovalenko M. Structural, Electronic and Optical Properties of CsPbBr3 and CH3NH3PbBr3: First-Principles Modeling / M. Kovalenko, O. Bovgyra, V. Kolomiets, V. Kapustianyk, O. Kozachenko // Proceedings of 2021 IEEE 12th International Conference on Electronics and Information Technologies (ELIT), Lviv, Ukraine, 19-21 May, 2021. – P. 232–237. https://doi.org/10.1109/ELIT53502.2021.9501119.
  11. Perdew J. P. Generalized Gradient Approximation Made Simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Phys. Rev. Lett. – 1996. – Vol. 77. – P. 3865−3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
  12. Perdew J. P. Restoring the density-gradient expansion for exchange in solids and surfaces / J. P. Perdew, A. Ruzsinszky, G. I. Csonka, O. A. Vydrov, G. E. Scuseria, L. A. Constantin, X. Zhou, K. Burke // Phys.Rev. Lett. – 2008. – Vol. 100. – P. 136406. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.136406
  13. Cococcioni M. Linear response approach to the calculation of the effective interaction parameters in the LDA + U method / M. Cococcioni, S. Gironcoli // Phys Rev B – 2005. – Vol. 71. – P.035105. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.035105
  14. Welch E. Density functional theory + U modeling of polarons in organohalide lead perovskites / E. Welch, L. Scolfaro, A. Zakhidov // AIP ADVANCES – 2016. – Vol. 6. – P. 125037. https://doi.org/10.1063/1.4972341
  15. Garrity K. F. Pseudopotentials for high-throughput DFT calculations / K. F. Garrity, J. W. Bennett, K. M. Rabe, D. Vanderbilt // Comp. Mater. Sci. – 2014. –Vol. 81. – P. 446. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.08.053
  16. Monkhorst H. J. Special points for Brillouin-zone integrations / H. J. Monkhorst, J. D. Pack // Phys. Rev. B – 1976. – Vol. 13. – P. 5188. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
  17. Mordecai A. Nonlinear Programming: Analysis and Methods, 03rd Edition / A. Mordecai – Dover, New York, 2003. – 544 p.
  18. Ambrosch-Draxl C, Linear Optical Properties of Solids within the Full-Potential Linearized Augmented Planewave Method / C. Ambrosch-Draxl, J. O. Sofo // Comput. Phys. Commun. – 2006. – Vol. 175. – P. 1−14. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2006.03.005
  19. Adachi S. Properties of semiconductor alloys: group-IV, III-V and II-VI semiconductors / S. Adachi – John Wiley & Sons, 2009. – 400 p.
  20. Poglitsch A. Dynamic disorder in methylammoniumtri-halogenoplumbates (ii) observed by millimeterwave spectroscopy / A. Poglitsch, D. Weber // J. Chem. Phys. – 1987. – Vol. 87 (11). – P. 6373–6378. https://doi.org/10.1063/1.453467.
  21. Noh J. H. Chemical Management for Colorful, Efficient, and Stable Inorganic–Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells / J. H. Noh, S. H. Im, J. H. Heo, T. N. Mandal, S. I. Seok // Nano Lett. – 2013. – Vol. 13. – P. 1764–1769. https://doi.org/10.1021/nl400349b
  22. Swainson I. P. Phase transitions in the perovskite methylammonium lead bromide, CH3ND3PbBr3 / I. P. Swainson, R. P. Hammond, C. Soulliere, O. Knop, W. Massa // J. Solid State Chem. – 2003. – Vol. 176 (1). – P. 97–104. https://doi.org/10.1016/S0022-4596(03)00352-9
  23. Ye Y. Nature of the band gap of halide perovskites ABX3 (A = CH3NH3, Cs; B = Sn, Pb; X = Cl, Br, I): First-principles calculations / Y. Ye, X. Run, X. Hai-Tao, H. Feng, X. Fei, W. Lin-Jun // Chinese Phys. B – 2015. – Vol. 24. – P. 116302. https://doi.org/10.1088/1674-1056/24/11/116302
  24. Melissen S. T. A. G. Electronic properties of PbX3CH3NH3 (X=Cl, Br, I) compounds for photovoltaic and photocatalytic applications / S. T. A. G. Melissen, F. Labat, P. Sautet, T. Le Bahers // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2015. – Vol. 17. – P. 2199–2209. https://doi.org/10.1039/C4CP04666H
  25. Yi Z. Theoretical Studies on the structural, electronic and optical properties of orthorhombic perovskites CH3NH3PbX3(X=I,Br,Cl) / Z. Yi, Z. Fang // J. Phys. Chem. Solids – 2017. – Vol. 110. – P. 145–151. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2017.05.005
  26. Jishi R. A. Modeling of Lead Halide Perovskites for Photovoltaic Applications / R. A. Jishi, O. B. Ta, A. A. Sharif // J. Phys. Chem. C, vol. 118, pp. 28344−28349, 2014. https://doi.org/10.48550/arXiv.1405.1706
  27. Feng J. Crystal structures, optical properties, and effective mass tensors of CH3NH3PbX3; (X = I; Br) phases predicted from HSE06 / J. Feng, B. Xiao // J. Phys. Chem. Lett. – 2014. – Vol. 5. – P. 1278–1282. https://doi.org/10.1021/jz500480m
  28. Mao X. First-Principles Screening of All-Inorganic Lead-Free ABX3 Perovskites / X. Mao, L. Sun, T. Wu, T. Chu, W. Deng, K. Han // J. Phys. Chem. C – 2018. – Vol. 122. – P. 7670−7675. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b02448
  29. Sun P. P. Theoretical Insights into a Potential Lead-Free Hybrid Perovskite: Substituting Pb2+ with Ge2+ / P. P. Sun, Q. S. Li, L. N. Yang, Z. S. Li // Nanoscale – 2016. – Vol. 8. – P. 1503−1512. https://doi.org/10.1039/C5NR05337D
  30. Umari P. Relativistic GW calculations on CH3NH3PbI3 and CH3NH3SnI3 perovskites for solar cell applications / P. Umari, E. Mosconi, F. D. Angelis // Sci. Rep. – 2014. – Vol. 4. – P. 4467. https://doi.org/10.1038/srep04467
  31. Tanaka K. Comparative study on the excitons in lead-halide-based perovskite-type crystals CH3NH3PbBr3 and CH3NH3PbI3 / K. Tanaka, T. Takahashi, T. Ban, T. Kondo, K. Uchida, N. Miura // Solid State Commun. – 2003. – Vol. 127. – P. 619–623. https://doi.org/10.1016/S0038-1098(03)00566-0
  32. Wang D.-L. Highly Efficient Light Management for Perovskite Solar Cells / D.-L. Wang, H.-J. Cui, G.-J. Hou, Z.-G. Zhu, Q.-B. Yan, G. Su // Sci. Rep. – 2016. – Vol. 6. – P. 18922. https://doi.org/10.1038/srep18922
  33. Sahli F. Fully Textured Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with 25.2% Power Conversion Efficiency / F. Sahli, J. Werner, B. A. Kamino, Bräuninger, M. R. Monnard, B. Paviet-Salomon, L. Barraud, L. Ding, J. J. Diaz Leon, D. Sacchetto // Nat. Mater. – 2018. – Vol. 17. – P. 820−826. https://doi.org/10.1038/s41563-018-0115-4




DOI: http://dx.doi.org/10.30970/eli.18.7

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.