Розрахунок електронних властивостей перовскитів CsGeCl3 та CsSnCl3 як перспективних матеріалів сонячної енергетики

1. Виконав: Довганюк Д.В. Керівник: Юрійчук І.М.    

Розрахунок електронних властивостей перовскитів
CsGeCl3 та CsSnCl3 як перспективних матеріалів
сонячної енергетики
Виконав: Довганюк Д.В.
Керівник: Юрійчук І.М.

2.

Актуальність роботи
Перовскити привертають останнім часом значну увагу завдяки застосуванню у
фотовольтаїці для створення високоефективних сонячних елементів та
світлодіодів. На даний час експериментальні елементи на базі перовскитів
виявляють ефективність перетворення світла в електроенергію до 28%, що
практично співпадає зі значеннями коефіцієнта корисної дії звичайних кремнієвих
елементів. Але крім підвищення ефективності сонячних елементів значні зусилля
останніми роками спрямовані на пошук нових нетоксичних перовскитів та більш
стабільних матеріалів.
Метою роботи є теоретичний розрахунок методом функціоналу густини
електронних властивостей перовскитів, що не містять свинець, CsGeCl3 і CsSnCl3.

3.

Метод функціоналу густини
(1)
(2)
F[n(r)]= T [n(r)] + V [n(r)] + VH [n(r)] + Vxc[n(r)]
(3)
(4)
(5)
(6)
Quantum ESPRESSO
(opEn-Source Package for Research in Electronic Structure, Simulation, and Optimization)

4.

X = Ge, Sn
Рис. 1. Елементарна комірка кристалів CsGeCl3 та CsSnCl3.
X a(0, 0, 0)
Cs а(0.5, 0.5, 0.5)
Cl а(0,5, 0,0)
а – стала гратки

5.

Розрахунок сталої гратки
E, Рідберг
-302.62
CsSnCl3
-302.63
-302.64
-302.65
-302.66
-302.67
-302.68
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6.0
a, Ангстрем
Рис. 2. Розраховані значення повної енергії елементарної комірки кристалу CsSnCl3.

6.

Структурні характеристики кристалів CsGeCl3 та CsSnCl3
Таблиця 1
CsGeCl3
Стала гратки
а (Å)
CsSnCl3
Розрахунок
Eксперимент
Розрахунок
Eксперимент
5,30
5,47 [102]
5,434 [104]
5,59
5,56 [101]
5,57 [103]

7.

Високосиметричні
точки:
Конфігурація валентних
електронів
Cs
Ge
Sn
Cl
5s2 5p6 6s1
3d10 4s2 4p2
4d10 5s2 5p2
3s2 3p5
Рис. 3. Зона Бріллюена кубічної гратки.

8.

Зонна структура CsGeCl3
Е, еВ
CsGeCl3
8
Таблиця 2. Ширина забороненої зони CsGeCl3
6
4
2
Еg, еВ
R
M
X
Г
1,55
3,18
4,84
7,74
0
(розрахунок)
-2
Еg, еВ
3,28
-4
(експеримент)
[200]
-6
-8
-10
Г
R
M
X
Рис. 4. Зонна структура CsGeCl3.
Г

9.

Зонна структура CsSnCl3
Е, еВ
CsSnCl3
Таблиця 2. Ширина забороненої зони CsSnCl3
8
6
4
2
Еg, еВ
R
M
X
Г
1,41
3,10
4,85
7,28
0
(розрахунок)
-2
Еg, еВ
2.23
(експеримент)
[100]
-4
-6
-8
-10
Г
R
M
X
Рис. 5. Зонна структура CsSnCl3.
Г

10.

Густина електронних станів
D, від.од.
20
CsSnCl3
Cs
Sn
Cl
15
10
5
0
-25
-20
-15
-10
-5
E, еВ
Рис. 6. Вклад окремих атомів у густину електронних станів CsGeCl3 та CsSnCl3.
0
5

11.

Залежність сталої гратки від гідростатичного тиску
a, Ангстрем
a, Ангстрем
5.3
CsGeCl3
5.2
5.6
5.1
CsSnCl3
5.4
5.0
5.2
4.9
4.8
5.0
4.7
4.8
4.6
4.5
4.6
0
10
20
P, ГПа
30
40
0
10
20
30
40
P, ГПа
Рис. 6. Залежність сталої гратки перовскитів CsGeCl3 та CsGeCl3 від прикладеного гідростатичного
тиску.

12.

Залежність ширини забороненої зони від гідростатичного тиску
Eg, еВ
Eg, еВ
1.6
1.6
1.4
CsGeCl3
1.4
CsSnCl3
1.2
1.2
1.0
1.0
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0
0.0
0
1
2
3
4
5
6
P, ГПа
7
8
9
10
11
12
0
1
2
3
4
5
6
7
8
P, ГПа
Рис. 7. Залежність ширини забороненої зони перовскитів CsGeCl3 та CsGeCl3 від гідростатичного
тиску.

13. Висновки

1. Методом функціоналу густини розраховано електронний спектр
перовскитів CsGeCl3 і CsSnCl3. Показано, що дані напівпровідники є
прямозонними напівпровідниками з мінімальним значенням ширини
забороненої зони Eg = 1,55 еВ для CsGeCl3 та Eg = 1,41 еВ для CsSnCl3 в точці
R зони Бріллюена.
2. Аналіз густини електронних станів дозволяє зробити висновок, що
основну роль у формуванні станів валентної зони та зони провідності і
відповідно величини ширини забороненої зони даних напівпровідників
відіграють стани германію чи стануму та стани хлору.
3. З аналізу впливу гідростатичного тиску на електронний спектр
перовскитів CsGeCl3 і CsSnCl3 встановлено, що їх ширина забороненої зони
перовскитів під дією тиску зменшується. Показано, що при тисках більших
за 11,4 ГПа для CsGeCl3 та 7,3 ГПа для CsSnCl3 дані напівпровідники
починають виявляти металічні властивості.

14. Дякую за увагу !