Аналіз властивостей перовскиту метиламмонию йодиду свинця, опосередкованого вакансіями: дослідження на основі DFT

  • М. Абдулла Аль Асад Департамент електротехніки та електронної інженерії, Науково-технічний університет імені шейха Муджибора Рахмана Бангабандху, Гопалгандж, Бангладеш https://orcid.org/0000-0002-9660-2860
  • М. Абдул Алім Департамент хімії, Науково-технологічний університет імені шейха Муджибора Рахмана Бангабандху, Гопалгандж, Бангладеш
  • Мс. Халіма Хатун Департамент фізики, Науково-технічний університет імені шейха Муджібура Рахмана Бангабандху, Гопалгандж, Бангладеш
  • Абінаш Чандро Саркер Департамент хімії, Університет Бегум Рокея, Рангпур, Бангладеш
  • М. Аріфур Рахман Департамент електротехніки та електронної інженерії, Перший столичний університет Бангладеш, Чуаданга, Бангладеш
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-39
Ключові слова: CH3NH3PbI3, теорія функціоналу густини, вакансія Pb, енергія забороненої зони, структурне спотворення

Анотація

Внутрішні дефекти мають значний вплив на транспортні властивості перовскіту CH3NH3PbI3 метиламонію йодиду свинцю (MAPI). У цій статті ми досліджували, як вакансії свинцю впливають на фотоелектричні властивості MAPI, використовуючи дослідження теорії функціоналу густини (DFT). Вакансії свинцю в перовскітних матеріалах можуть суттєво впливати на динаміку носія та ефективність пристрою. Наші висновки показують, що нижча енергетична конфігурація вакансії Pb не створює станів глибокої пастки, які в іншому випадку зменшили б час життя носія. Це свідчить про те, що вакансії свинцю в MAPI можуть бути не такими шкідливими для динаміки носія, як вважалося раніше. Вакансії Pb потенційно можуть бути компенсовані іншими дефектами або легуючими речовинами в матеріалі, що може пом’якшити їхній негативний вплив на динаміку носія. Введення вакансії Pb призводить до додаткових електронних станів поблизу мінімуму зони провідності (CBM) у фундаментальній забороненій зоні. Це вказує на те, що вакансія вводить локалізовані електронні стани, які впливають на поведінку носія. Найвища зайнята молекулярна орбіталь (HOMO) стає більш локалізованою навколо вакантної області, тоді як найменш незайняті молекулярні орбіталі (LUMO) локалізовані лише частково. Ця локалізація навколо вакансії не створює сильних станів захоплення, які могли б перешкоджати руху носія. Наявність вакансій викликає переміщення атомів, що призводить до більш спотвореної оптимізованої структури. Це структурне спотворення може вплинути на загальні властивості матеріалу та потенційно вплинути на продуктивність пристрою. Рівні HOMO і LUMO в основному походять від p-орбіталей залучених атомів. Це підкреслює важливість p-орбітальних взаємодій у визначенні електронних властивостей матеріалу.

Завантаження

Посилання

H. Uratani, “Charge Carrier Trapping at Surface Defects of Perovskite Solar Cell Absorbers: A First-Principles Study,” J. Phys. Chem. Lett. 8, 4, 742−746 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b00055

X. Zeng, G. Niu, X. Wang, J. Jiang, L. Sui, Y. Zhang, A. Chen, et al., Enhanced carrier transport in CsXSnBry perovskite by reducing electron-phonon coupling under compressive strain,” Materials Today Physics, 40, 101296 (2024). https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2023.101296

H. H. Otto, “Pyroelectric Bi5-x(Bi2S3)39I12S: Fibonacci Superstructure, Synthesis Options and Solar Cell Potential,” World Journal of Condensed Matter Physics, 5, 2, (2015). https://www.scirp.org/journal/papercitationdetails?paperid=55984&JournalID=502

J. Kim, S.H. Lee, J.H. Lee, and K.H. Hong, “The Role of Intrinsic Defects in Methylammonium Lead Iodide Perovskite,” J. Phys. Chem. Lett. 5, 1312−1317 (2014), https://doi.org/10.1021/jz500370k

M.L. Ali, M. Khan, M.A.A. Asad, and M.Z. Rahaman, “Highly efficient and stable lead-free cesium copper halide perovskites for optoelectronic applications: A DFT based study,” Heliyon, 9, e18816 (2023). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e18816

I. Ullah, M.A. Hossain, A. Armghan, M.S. Rana, and M.A.A. Asad, “The optoelectronic enhancement in perovskite solar cells using plasmonic metal‑dielectric core‑shell and nanorod nanoparticles,” Optical and Quantum Electronics, 55, 1018 (2023). https://doi.org/10.1007/s11082-023-05252-3

J. Hafner, “Ab-initio simulations of materials using VASP: Density-functional theory and beyond,” J. Comput. Chem. 29, 2044 2078 (2008). https://doi.org/10.1002/jcc.21057

P.E. Blöchl, “Projector augmented-wave method,” Physical Review B, 50, 17953-17979 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953

J. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Phys. Rev. Lett.77, 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

M.A.A. Asad, “Investigation of the Structural with Electronic Properties of Methylammonium Lead Iodide Perovskite Using Density Functional Theory,” International Journal of Material and Mathematical Sciences, 4(6), 107-113 (2022). https://doi.org/10.34104/ijmms.022.01070113

R. Raghunathan, E. Johlin, and J. C. Grossman, “Grain Boundary Engineering for Improved Thin Silicon Photovoltaics,” Nano Lett. 14, 4943-4950 (2014). https://doi.org/10.1021/nl501020q

T. Fiducia, A. Howkins, A. Abbas, B. Mendis, A. Munshi, K. Barth, W. Sampath, and John Walls, “Selenium passivates grain boundaries in alloyed CdTe solar cells,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 238, 111595 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.111595

Y. Guo, Q. Wang, and W. A. Saidi, “Structural Stabilities and Electronic Properties of High-Angle Grain Boundaries in Perovskite Cesium Lead Halides,” J. Phys. Chem. C, 121, 1715-1722 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b11434

Edri, E. Kirmayer, S. Henning, A. Mukhopadhyay, S. Gartsman, K. Rosenwaks, Y. Hodes, G.; Cahen, D. “Why Lead Methylammonium Tri-Iodide Perovskite-Based Solar Cells Require a Mesoporous Electron Transporting Scaffold (but Not Necessarily a Hole Conductor),” Nano Lett. 14, 1000−1004. (2014), https://doi.org/10.1021/nl404454h

Опубліковано
2025-03-03
Цитовано
Як цитувати
Асад, М. А. А., Алім, М. А., Хатун, М. Х., Саркер, А. Ч., & Рахман, М. А. (2025). Аналіз властивостей перовскиту метиламмонию йодиду свинця, опосередкованого вакансіями: дослідження на основі DFT. Східно-європейський фізичний журнал, (1), 327-331. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-39
Номер
№ 1 (2025): East European Journal of Physics
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2025 М. Абдулла Аль Асад, М. Абдул Алім, М. Халіма Хатун, Абінаш Чандро Саркер, М. Аріфур Рахман

Ліцезія Creative Commons

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

    • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).