Аналіз структурних, електронних та оптичних властивостей перовскиту Ca₃PCl₃ для застосування в зеленій енергетиці та оптоелектроніці
Анотація
Метою цього дослідження є детальне вивчення способів покращення ефективності перовскіту Ca3PCl3 в оптоелектронній галузі та галузі сонячних елементів. Речовина, відома як Ca3PCl3, класифікується в тій самій категорії, що й перовскіти, що складаються з неорганічних галогенідів металів. У рамках цього дослідження для вивчення оптичних, електричних та структурних характеристик було використано теорію функціоналу густини (DFT), яка є базовими принципами. Узагальнене градієнтне наближення (GGA), функціонали Пердью Берка-Ернцергофа та калькулятор лінійної комбінації атомних орбіталей – це інструменти, які використовуються для розуміння характеристик перовскіту Ca3PCl3. Ключовим моментом є ширина забороненої зони матеріалу, яка, за вимірюваннями, становить 20,35 еВ у точці Г. Також було виявлено, що діелектрична функція та спектри поглинання змінюються залежно від енергії фотона. Повідомлялося, що значення коефіцієнта екстинкції становить 3,6963×10⁴, а значення показника відбиття – 1,4410. Тому вивчення оптичних властивостей Ca3PCl3 має вирішальне значення для розгляду цього матеріалу для майбутнього використання у фотоелектричних та оптоелектронних пристроях.
Завантаження
Посилання
M. Victoria, N. Haegel, I.M. Peters, R. Sinton, A. Jäger-Waldau, C. del Canizo, C. Breyer, et al. “Solar photovoltaics is ready to power a sustainable future,” Joule, 5(5), 1041-1056 (2021). https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.005
T. Jackson, and M. Oliver, “The viability of solar photovoltaics,” Energy policy, 28(14), 983-988 (2000). https://doi.org/10.1016/s0301-4215(00)00085-9
Md.F. Rahman, J. Hossain, A. Kuddus, S. Tabassum, M.H.K. Rubel, Md.M. Rahman, Y. Moriya, et al. “A novel CdTe ink-assisted direct synthesis of CdTe thin films for the solution-processed CdTe solar cells,” Journal of materials science, 55, 7715 7730 (2020). https://doi.org/10.1007/s10853-020-04578-7
M.K. Hossain, G.F.I. Toki, D.P. Samajdar, M. Mushtaq, M.H.K. Rubel, R. Pandey, J. Madan, et al. “Deep insights into the coupled optoelectronic and photovoltaic analysis of lead-free CsSnI3 perovskite-based solar cell using DFT calculations and SCAPS-1D simulations,” ACS omega, 8(25), 22466-22485 (2023). https://doi.org/10.1021/acsomega.3c00306
Q. Ma, S. Huang, S. Chen, M. Zhang, C.F.J. Lau, M.N. Lockrey, H.K.Mulmudi, et al. “The effect of stoichiometry on the stability of inorganic cesium lead mixed-halide perovskites solar cells,” The Journal of Physical Chemistry C, 121(36), 19642-19649 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b06268
Md.E. Islam, Md.R. Islam, S. Ahmmed, M.K. Hossain, and Md.F. Rahman, “Highly efficient SnS-based inverted planar heterojunction solar cell with ZnO ETL,” Physica Scripta, 98(6), 065501 (2023). https://doi.org/10.1088/1402-4896/accb13
Y. Zhou, L. You, S. Wang, Z. Ku, H. Fan, D. Schmidt, A. Rusydi, et al. “Giant photostriction in organic–inorganic lead halide perovskites,” Nature communications, 7(1), 11193 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms11193
M.M. Abdelhamied, Y. Song, W. Liu, X. Li, H. Long, K. Wang, B. Wang, and P. Lu, “Improved photoemission and stability of 2D organic-inorganic lead iodide perovskite films by polymer passivation,” Nanotechnology, 31(42), 42LT01 (2020). https://doi.org/10.1088/1361-6528/aba140
J. Di, J. Chang, and S. Liu, “Recent progress of two‐dimensional lead halide perovskite single crystals: crystal growth, physical properties, and device applications,” EcoMat, 2(3), e12036 (2020). https://doi.org/10.1002/eom2.12036
S. Wu, Z. Li, M.-Q. Li, Y. Diao, F. Lin, T. Liu, J. Zhang, et al. “2D metal–organic framework for stable perovskite solar cells with minimized lead leakage,’ Nature Nanotechnology, 15(11), 934-940 (2020). https://doi.org/10.1038/s41565-020-0765-7
W. Shen, Y. Zhao, and F. Liu, “Highlights of mainstream solar cell efficiencies in 2021,” Front. Energy, 16, 1–8 (2022). https://doi.org/10.1007/s11708-022-0816-x
H. Liu, L. Xiang, P. Gao, D. Wang, J. Yang, X. Chen, S. Li, Y. Shi, F. Gao, and Y. Zhang, “Improvement strategies for stability and efficiency of perovskite solar cells,” Nanomaterials, 12(19), 3295 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12193295
P. Roy, N.K. Sinha, S. Tiwari, and A. Khare, “A review on perovskite solar cells: Evolution of architecture, fabrication techniques, commercialization issues and status,” Solar Energy, 198, 665-688 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.01.080
Y. Yuan, J. Chae, Y. Shao, Q. Wang, Z. Xiao, A. Centrone, and J. Huang, “Photovoltaic switching mechanism in lateral structure hybrid perovskite solar cells,” Advanced Energy Materials, 5(15), (2015). https://doi.org/10.1002/aenm.201500615
K. Zheng, and T. Pullerits, “Two dimensions are better for perovskites,” The Journal of Physical Chemistry Letters, 10(19), 5881 5885 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01568
G.E. Eperon, S.D. Stranks, C. Menelaou, M.B. Johnston, L.M. Herz, and H.J. Snaith, “Formamidinium lead trihalide: a broadly tunable perovskite for efficient planar heterojunction solar cells,” Energy & Environmental Science, 7(3), 982-988 (2014). https://doi.org/10.1039/C3EE43822H
J. Di, J. Chang, and S. Liu, “Recent progress of two‐dimensional lead halide perovskite single crystals: crystal growth, physical properties, and device applications,” EcoMat, 2(3), e12036 (2020). https://doi.org/10.1002/eom2.12036
B. Wang, J. Iocozzia, M. Zhang, M. Ye, S. Yan, H. Jin, S. Wang, Z. Zou, and Z. Lin, “The charge carrier dynamics, efficiency and stability of two-dimensional material-based perovskite solar cells,” Chemical Society Reviews, 48(18), 4854-4891 (2019). https://doi.org/10.1039/c9cs00254e
G.M. Wilson, M. Al-Jassim, W.K. Metzger, S.W. Glunz, P. Verlinden, G. Xiong, L.M. Mansfield, et al. “The 2020 photovoltaic technologies roadmap,” Journal of Physics D: Applied Physics, 53(49), 493001 (2020). https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab9c6a
M. Aaogi, Y. Shirako, H. Kojitani, T. Nagakari, H. Yusa, and K. Yamaura, “High-pressure transitions in NaZnF3 and NaMnF3 perovskites, and crystal-chemical characteristics of perovskite–postperovskite transitions in ABX3 fluorides and oxides,” Physics of the Earth and Planetary Interiors, 228, 160-169 (2014). https://doi.org/10.1016/j.pepi.2013.09.001
A. Alhashmi, M.B. Kanoun, and S. Goumri-Said, “Machine learning for halide perovskite materials ABX3 (B= Pb, X= I, Br, Cl) assessment of structural properties and band gap engineering for solar energy,” Materials, 16(7), 2657 (2023). https://doi.org/10.3390/ma16072657
R.S. Roth, “Classification of perovskite and other ABO3-type compounds,” Journal of Research of the National Bureau of Standards, 58(2), 75-88 (1957). https://doi.org/10.6028/jres.058.010
C. Moure, and O. Peña, “Recent advances in perovskites: Processing and properties,” Progress in Solid State Chemistry, 43(4), 123-148 (2015). https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2015.09.001
X. Liu, J. Fu, and G. Chen, “First-principles calculations of electronic structure and optical and elastic properties of the novel ABX 3-type LaWN 3 perovskite structure,” RSC advances, 10(29), 17317-17326 (2020). https://doi.org/10.1039/c9ra10735e
H.-J. Feng, and Q. Zhang, “Predicting efficiencies> 25% A3MX3 photovoltaic materials and Cu ion implantation modification,” Applied Physics Letters, 118(11), (2021). https://doi.org/10.1063/5.0039936
Md.F. Rahman, Md. Al Ijajul Islam, Md.R. Islam, Md.H. Ali, P. Barman, Md.A. Rahman, Md. Harun‐Or‐Rashid, et al. “Investigation of a novel inorganic cubic perovskite Ca3PI3 with unique strain‐driven optical, electronic, and mechanical properties,” Nano Select, (2023). https://doi.org/10.1002/nano.202300066
Y. Li, and K. Yang, “High‐throughput computational design of halide perovskites and beyond for optoelectronics,” Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 11(3), e1500 (2021). https://doi.org/10.1002/wcms.1500
S. Binetti, M. Acciarri, A. Le Donne, M. Morgano, and Y. Jestin, “Key success factors and future perspective of silicon‐based solar cells,” International Journal of Photoenergy, 2013(1), 249502 (2013). https://doi.org/10.1155/2013/249502
J. Singh, and A. Agrahari, “The progression of silicon technology acting as substratum for the betterment of future photovoltaics,” International Journal of Energy Research, 43(9), 3959-3980 (2019). https://doi.org/10.1002/er.4402
J. Shim, E.-K. Lee, Y.J. Lee, and R.M. Nieminen, “Density-functional calculations of defect formation energies using the supercell method: Brillouin-zone sampling,” Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics, 71(24), 245204 (2005). https://doi.org/10.1103/physrevb.71.245204
S. Luo, T. Li, X. Wang, M. Faizan, and L. Zhang, “High‐throughput computational materials screening and discovery of optoelectronic semiconductors,” Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 11(1), e1489 (2021). https://doi.org/10.1002/wcms.1489
Z. Liu, G. Na, F. Tian, L. Yu, J. Li, and L. Zhang, “Computational functionality‐driven design of semiconductors for optoelectronic applications,” InfoMat, 2(5), 879-904 (2020). https://doi.org/10.1002/inf2.12099
S. Kang, D. Lee, J. Kim, A. Capasso, H.S. Kang, J.-W. Park, C.-H. Lee, and G.-H. Lee, “2D semiconducting materials for electronic and optoelectronic applications: potential and challenge,” 2D Materials, 7(2), 022003 (2020). https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab6267
Y. Xue, T. Yang, Y. Zheng, K. Wang, E. Wang, H. Wang, L. Zhu, et al. “Heterojunction engineering enhanced self‐polarization of PVDF/CsPbBr3/Ti3C2Tx composite fiber for ultra‐high voltage piezoelectric nanogenerator,” Advanced Science, 10(18), 2300650 (2023). https://doi.org/10.1002/advs.202300650
M. Pagliaro, R.a Ciriminna, and G. Palmisano, “Flexible solar cells,” ChemSusChem: Chemistry & Sustainability Energy & Materials, 1(11), 880-891 (2008). https://doi.org/10.1002/cssc.200800127
K. Rana, J. Singh, and J.-H. Ahn, “A graphene-based transparent electrode for use in flexible optoelectronic devices,” Journal of Materials Chemistry C, 2(15), 2646-2656 (2014). https://doi.org/10.1039/c3tc32264e
Y.‐F. Liu, J. Feng, Y.‐G. Bi, D. Yin, and H.‐B. Sun, “Recent developments in flexible organic light‐emitting devices,” Advanced Materials Technologies, 4(1), 1800371 (2019). https://doi.org/10.1002/admt.201800371
J. Lewis, “Material challenge for flexible organic devices,” Materials today, 9(4), 38-45 (2006). https://doi.org/10.1016/S1369-7021(06)71446-8
S. Chahar, P. Sharma, K.K. Mishra, and R. Sharma, “A Review Article on the usage of Different Materials and Different Device architectures in the Design of Tunnel Field Effect Transistor,” in: 2022 IEEE International Conference of Electron Devices Society Kolkata Chapter (EDKCON), (IEEE, 2022), pp. 592-597.
Y. Wang, S. Bai, L. Cheng, N. Wang, J. Wang, F. Gao, and W. Huang, “High‐efficiency flexible solar cells based on organometal halide perovskites,” Advanced Materials 28(22), 4532-4540 (2016). https://doi.org/10.1002/adma.201504260
Q. Chen, N. De Marco, Y.M. Yang, T.-B. Song, C.-C. Chen, H. Zhao, Z. Hong, et al. “Under the spotlight: The organic–inorganic hybrid halide perovskite for optoelectronic applications,” Nano Today, 10(3), 355-396 (2015). https://doi.org/10.1016/j.nantod.2015.04.009
S. Huang, Y. Liu, Y. Zhao, Z. Ren, and C.F. Guo, “Flexible electronics: stretchable electrodes and their future,” Advanced Functional Materials, 29(6), 1805924 (2019). https://doi.org/10.1002/adfm.201805924
J.P. Perdew, J.A. Chevary, S.H. Vosko, K.A. Jackson, M.R. Pederson, D.J. Singh, and C. Fiolhais, “Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation,” Physical review B, 46(11), 6671 (1992). https://doi.org/10.1103/physrevb.46.6671
J.P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, “Generalized gradient approximation made simple,” Physical review letters, 77(18), 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865
QuantumATK version U-2023.09, Synopsys QuantumATK, https://www.synopsys.com/silicon/quantumatk.html (accessed: October 2023).
I.K.G.G. Apurba, Md.R. Islam, Md.S. Rahman, Md.F. Rahman, and J. Park, “Tuning the physical properties of inorganic novel perovskite materials Ca3PX3 (X= I, Br and Cl): Density function theory,” Heliyon, 10(7), (2024). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e29144
Md.R. Islam, A. Zahid, M.A. Rahman, Md.F. Rahman, M.A. Islam, M.K. Hossain, M.A. Ali, M.A. Iqbal, F.I. Bakhsh, and S. Ahmad, “Tuning the optical, electronic, and mechanical properties of inorganic Ca3PCl3 perovskite via biaxial strain,” Journal of Physics and Chemistry of Solids, 184, 111722 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2023.111722
S.-J. Zou, Y. Shen, F.-M. Xie, J.-D. Chen, Y.-Q. Li, and J.-X. Tang, “Recent advances in organic light-emitting diodes: toward smart lighting and displays,” Materials Chemistry Frontiers, 4(3), 788-820 (2020). https://doi.org/10.1039/C9QM00716D
Q. Dai, Q.-Q. Liang, T.-Y. Tang, H.-X. Gao, S.-Q. Wu, and Y.-L. Tang, “The structural, stability, electronic, optical and thermodynamic properties of Ba2AsXO6（ Xá= áV, Nb, Ta） double perovskite oxides: A First-Principles study,” Inorganic Chemistry Communications, 166, 112591 (2024). https://doi.org/10.1016/j.inoche.2024.112591
T. Tang, and Y. Tang, “First principle comparative study of transitional elements Co, Rh, Ir (III)-based double halide perovskites,” Materials Today Communications, 34, 105431 (2023). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105431
T. Yao, Y. Wang, H. Li, J. Lian, J. Zhang, and H. Gou, “A universal trend of structural, mechanical and electronic properties in transition metal (M= V, Nb, and Ta) borides: First-principle calculations,” Computational materials science, 65, 302-308 (2012). https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.07.021
Md.A. Rahman, I. Ria, A. Ghosh, A.A.A. Bahajjaj, and R.J. Ramalingam, “A Novel Investigation into Strain-Induced Changes in the Physical Properties of Lead-Free Ca3ncl3 Perovskite,” Preprint, https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4782983
F. Mouhat, and F.-X. Coudert, “Necessary and sufficient elastic stability conditions in various crystal systems,” Physical review B, 90(22), 224104 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.224104
M. Maghrabi, A.Y. Al-Reyahi, N. Al Aqtash, S.M. Al Azar, A. Shaheen, A. Mufleh, and B. Shaban, “Investigating the physical properties of lead-free halide double perovskites Cs2AgXBr6 (X= P, As, Sb) for photovoltaic and thermoelectric devices using the density functional theory,” Materials Today Communications 37, 107541 (2023). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.107541
K.K. Mishra, “Study on Structural, Mechanical, Electronic, Vibrational, Optical and Thermo-Dynamical Behaviour of ZB Structured BeZ (Z=S, Se and Te) Using ATK-DFT,” Metallurgical and Materials Engineering, 26(3), 253-278 (2020). https://doi.org/10.30544/475
M. Ahmad, G. Rehman, L. Ali, M. Shafiq, R. Iqbal, R. Ahmad, T. Khan, S. Jalali-Asadabadi, et al. “Structural, electronic and optical properties of CsPbX3 (X= Cl, Br, I) for energy storage and hybrid solar cell applications,” Journal of Alloys and Compounds, 705, 828-839 (2017). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.02.147
A.V. Kuklin, and H. Ågren, “Quasiparticle electronic structure and optical spectra of single-layer and bilayer PdSe 2: Proximity and defect-induced band gap renormalization,” Physical Review B, 99(24), 245114 (2019). https://doi.org/10.1103/physrevb.99.245114
S. Chahar, K.K. Mishra, and R. Sharma, “Investigation of Structural, Electronic, and Optical Characteristics of a Novel Perovskite Halide, Mg3AsCl3, for Electronic Applications,” Physica status solidi (b), 2400171. https://doi.org/10.1002/pssb.202400171
P. Barman, Md.F. Rahman, Md.R. Islam, M. Hasan, M. Chowdhury, M.K. Hossain, J.K. Modak, et al. “Lead-free novel perovskite Ba3AsI3: First-principles insights into its electrical, optical, and mechanical properties,” Heliyon, 9(11), (2023). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e21675
Md.S. Alam, Md. Saiduzzaman, A. Biswas, T. Ahmed, A. Sultana, and K.M. Hossain, “Tuning band gap and enhancing optical functions of AGeF3 (A= K, Rb) under pressure for improved optoelectronic applications,” Scientific Reports, 12(1), 8663 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12713-4
M.H.K. Rubel, M.A. Hossain, M.K. Hossain, K.M. Hossain, A.A. Khatun, M.M. Rahaman, Md.F. Rahman, et al. “First-principles calculations to investigate structural, elastic, electronic, thermodynamic, and thermoelectric properties of CaPd3B4O12 (B=Ti,V) perovskites,” Results in Physics, 42, 105977 (2022). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2022.105977
A. Ghosh, Md.F. Rahman, Md.R. Islam, Md.S. Islam, M.K. Hossain, S. Bhattarai, R. Pandey, et al. “Structural, electronic and optical characteristics of inorganic cubic perovskite Sr3AsI3,” Optics Continuum, 2(10), 2144-2153 (2023). https://doi.org/10.1364/optcon.495816
Md.Z. Rahman, S.S. Hasan, Md.Z. Hasan, Md. Rasheduzzaman, Md.A. Rahman, Md.M. Ali, A. Hossain, et al. “Insight into the Physical Properties of the Chalcogenide XZrS3 (X= Ca, Ba) Perovskites: A First-Principles Computation,” Journal of Electronic Materials, 1-17 (2024). https://doi.org/10.1007/s11664-024-11120-x
A. Ghosh, Md.F. Rahman, Md.R. Islam, Md.S. Islam, M. Amami, M.K. Hossain, and A.B.Md. Ismail, “Inorganic novel cubic halide perovskite Sr3AsI3: Strain-activated electronic and optical properties,” Heliyon, 9(8), no. 8 (2023). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e19271
D.O. Obada, S.B. Akinpelu, S.A. Abolade, E. Okafor, A.M. Ukpong, Syam Kumar R, and A. Akande, “Lead-free double perovskites: a review of the structural, optoelectronic, mechanical, and thermoelectric properties derived from first-principles calculations, and materials design applicable for pedagogical purposes,” Crystals, 14(1), 86 (2024). https://doi.org/10.3390/cryst14010086
Авторське право (c) 2025 Чакшу Малан, Крішна Кумар Мішра, Раджніш Шарма
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).
