第一性原理研究混合钙钛矿CH3NH3PbxSn1－xI3结构及光电特性

doi:10.3866/PKU.WHXB201603154

摘要/Abstract

摘要：

有机/无机钙钛矿是一类极具潜质的光电材料，目前已实现超过20%的光电转化效率。本文采用第一性原理对有机/无机混合钙钛矿CH₃NH₃Pb_xSn_1-xI₃ (x = 0-1)的结构及光电特性进行了理论研究。结果表明，范德华力(VDW)在优化钙钛矿结构中起着重要的作用，考虑范德华力可减小Pb/Sn―I键长，从而减小体系体积。通过分析甲胺离子CH₃NH₃⁺的态密度和Bader电荷，我们发现其对前线轨道没有贡献，仅仅扮演电荷供体的角色。Pb/Sn与I之间同时存在共价键和离子键相互作用。价带顶(VBM)主要是由I 5p以及Pb 6s (Sn 5s)杂化组成，而导带底(CBM)主要由Pb 6p (Sn 5p)轨道组成。在可见光区，随着波长的增加，体系吸收强度呈现整体下降趋势；随着Sn/Pb比值逐渐增大，吸收强度呈现增大趋势。CH₃NH₃SnI₃在可见光区表现出较佳的吸收光谱特性。

关键词: 钙钛矿, 光电特性, 能带结构, 态密度, 介电函数, 第一性原理

Abstract:

Organic/inorganic perovskites have exhibited great potential as photoelectronic materials, achieving remarkable photoelectric conversion efficiency, currently over 20%. The structural, electronic, and optical properties of organic/inorganic hybrid CH₃NH₃Pb_xSn_1－xI₃ perovskites (x = 0－1) have been investigated by the first-principles theory. Our results indicate that the van der Waals (VDW) interaction plays a crucial role in the structure optimization. Accounting for VDW force correction, both the Pb/Sn―I bond lengths and volumes are decreased. By analyzing the density of states and the Bader charge of CH₃NH₃⁺ cations, we find that cations contribute only slightly to the band edge, but play the role of charge donors. There exists a combined covalent and ionic interaction between Pb/Sn and I ions. The valence band maximum (VBM) is mainly contributed by the I 5p orbitals with the overlapping of Pb 6s (Sn 5s) orbitals, while the conduction band minimum (CBM) is dominated by Pb 6p (Sn 5p) orbitals. In the visible light region, with increasing wavelength, the absorption intensity demonstrates a decreasing trend; as the Sn/Pb ratio increases, the absorption intensity shows an increasing trend. CH₃NH₃SnI₃ perovskites demonstrate great potential to absorb light in the visible region.

Key words: Perovskite, Photoelectric property, Band structure, Density of states, Dielectric function, First-principles theory

MSC2000:

O641

鲁效庆,赵兹罡,李可,魏淑贤,瞿媛媛,牛永强,刘学锋. 第一性原理研究混合钙钛矿CH₃NH₃Pb_xSn_1－xI₃结构及光电特性[J]. 物理化学学报, 2016, 32(6): 1439-1445.

Xiao-Qing LU,Zi-Gang ZHAO,Ke LI,Shu-Xian WEI,Yuan-Yuan QU,Yong-Qiang NIU,Xue-Feng LIU. First-Principles Investigation of the Structural and Photoelectronic Properties of CH₃NH₃Pb_xSn_1－xI₃ Mixed Perovskites[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2016, 32(6): 1439-1445.

参考文献

1	Service R. F. Science 2014, 344 (6183), 458.
2	Kojima A. ; Teshima K. ; Shirai Y. ; Miyasaka T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (17), 6050.
3	Im J. H. ; Lee C. R. ; Lee J. W. ; Park S. W. ; Park N. G. Nanoscale 2011, 3 (10), 4088.
4	Lee M. M. ; Teuscher J. ; Miyasaka T. ; Murakami T. N. ; Snaith H. J. Science 2012, 338 (6107), 643.
5	Burschka J. ; Pellet N. ; Moon S. J. ; Humphry-Baker R. ; Gao P. ; Nazeeruddin M. K. ; Gr?tzel M. Nature 2013, 499 (7458), 316.
6	Zhou H. P. ; Chen Q. ; Li G. ; Luo S. ; Song T. B. ; Duan H. S. ; Hong Z. R. ; You J. B. ; Liu Y. S. ; Yang Y. Science 2014, 345 (6196), 542.
7	Jeon N. J. ; Noh J. H. ; Yang W. S. ; Kim Y. C. ; Ryu S. ; Seo J. ; Seok S. I. Nature 2015, 517 (7535), 476.
8	Pellet N. ; Gao P. ; Gregori G. ; Yang T. Y. ; Nazeeruddin M. K. ; Maier J. ; Gr?tzel M. Angew. Chem. Int. Edit. 2014, 53 (12), 3151.
9	Stranks S. D. ; Eperon G. E. ; Grancini G. ; Menelaou C. ; Alcocer M. J. ; Leijtens T. ; Herz L. M. ; Petrozza A. ; Snaith H. J. Science 2013, 342 (6156), 341.
10	Noel N. K. ; Stranks S. D. ; Abate A. ; Wehrenfennig C. ; Guarnera S. ; Haghighirad A. A. ; Sadhanala A. ; Eperon G. E. ; Pathak S. K. ; Johnston M. B. ; Petrozza A. M. ; Herz L. M. ; Snaith H. J. Energy Environ. Sci. 2014, 7 (9), 3061.
11	Chung I. ; Song J. H. ; Im J. ; Androulakis J. ; Malliakas C. D. ; Li H. ; Freeman A. J. ; Kenney J. T. ; Kanatzidis M. G. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134 (20), 8579.
12	Hao F. ; Stoumpos C. C. ; Cao D. H. ; Chang R. P. ; Kanatzidis M. G. Nat. Photon. 2014, 8 (6), 489.
13	Stoumpos C. C. ; Malliakas C. D. ; Kanatzidis M. G. Inorg. Chem. 2013, 52 (15), 9019.
14	Ogomi Y. ; Morita A. ; Tsukamoto S. ; Saitho T. ; Fujikawa N. ; Shen Q. ; Toyoda T. ; Yoshino K. ; Pandey S. S. ; Ma T. ; Hayase S. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5 (6), 1004.
15	Kresse G. ; Furthmüller J. Comp. Mater. Sci. 1996, 6 (1), 15.
16	Kresse G. ; Joubert D. Phys. Rev. B 1999, 59 (3), 1758.
17	Monkhorst H. J. ; Pack J. D. Phys. Rev. B 1976, 13 (12), 5188.
18	Even J. ; Pedesseau L. ; Jancu J. M. ; Katan C. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4 (17), 2999.
19	Mosconi E. ; Amat A. ; Nazeeruddin M. K. ; Gr?tzel M. ; De Angelis F. J. Phys. Chem. C 2013, 117 (27), 13902.
20	McKinnon N. K. ; Reeves D. C. ; Akabas M. H. J. Gen. Phys. 2011, 138 (4), 453.
21	Goldschmidt V. M. Sci. Nat. 1926, 14 (21), 477.
22	Zhu X. ; Su H. ; Marcus R. A. ; Michel-Beyerle M. E. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5 (17), 3061.
23	Baikie T. ; Fang Y. ; Kadro J. M. ; Schreyer M. ; Wei F. ; Mhaisalkar S. G. ; Gr?tzel M. ; White T. J. J. Mater. Chem. A 2013, 1 (18), 5628.
24	Ding X. K. ; Li X. M. ; Gao X. D. ; Zhang S. D. ; Huang Y. D. ; Li H. R. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31 (3), 576.
24	丁绪坤; 李效民; 高相东; 张树德; 黄宇迪; 李浩然. 物理化学学报, 2015, 31 (3), 576.
25	Yin W. J. ; Shi T. T. ; Yan Y. F. Appl. Phys. Lett. 2014, 104 (6), 063903.
26	Sun J. ; Wang H. T. ; He J. L. ; Tian Y. J. Phys. Rev. B 2005, 71 (12), 125132.
27	Shi H. L. ; Chu M. F. ; Zhang P. J. J. Nucl. Mater. 2010, 400 (2), 151.
28	Gr?tzel M. Nat. Mater. 2014, 13 (9), 838.

[1]	何成欢, 郭杨龙, 郭耘, 王筠松, 王丽, 詹望成. 不同组成和结构LaMnO₃钙钛矿负载Au催化剂的CO氧化活性[J]. 物理化学学报, 2019, 35(4): 422 -430 .
[2]	陈瑞,王维,卜童乐,库治良,钟杰,彭勇,肖生强,尤为,黄福志,程一兵,傅正义. 低成本富勒烯衍生物电子传输层在钙钛矿太阳能电池的应用[J]. 物理化学学报, 2019, 35(4): 401 -407 .
[3]	毕富珍,郑晓,任志勇. 甲胺基-甲脒基混合钙钛矿的第一性原理研究[J]. 物理化学学报, 2019, 35(1): 69 -75 .
[4]	方磊,孙铭骏,曹昕睿,曹泽星. 类单晶硅结构Si(C≡C－C₆H₄－C≡C)₄新材料的力学与光学性质：第一性原理研究[J]. 物理化学学报, 2018, 34(3): 296 -302 .
[5]	张婧,何有军,闵杰. 钙钛矿太阳能电池中小分子空穴传输材料的研究进展[J]. 物理化学学报, 2018, 34(11): 1221 -1238 .
[6]	杨春和,唐爱伟,滕枫,蒋克健. 钙钛矿CH₃NH₃PbI₃晶体的电化学[J]. 物理化学学报, 2018, 34(11): 1197 -1201 .
[7]	黄鹏,元利刚,李耀文,周祎,宋波. 左旋多巴和N, N-二甲基亚砜共掺杂PEDOT:PSS作为空穴传输层的高性能p-i-n型钙钛矿太阳能电池[J]. 物理化学学报, 2018, 34(11): 1264 -1271 .
[8]	许利刚, 邱伟, 陈润锋, 张宏梅, 黄维. ZnO电极修饰层在钙钛矿太阳能电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2018, 34(1): 36 -48 .
[9]	黄杨,孙庆德,徐文,何垚,尹万健. 卤化钙钛矿太阳能电池材料理论研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1730 -1751 .
[10]	顾津宇,齐朋伟,彭扬. 无机非铅钙钛矿太阳能电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1379 -1389 .
[11]	李蛟,陈忠. Ag₃XO₄（X = P，As，V）电子结构及光催化性质的第一性原理计算[J]. 物理化学学报, 2017, 33(5): 941 -948 .
[12]	王亚楠,马品,彭路梅,张迪,方艳艳,周晓文,林原. 醋酸铅作为铅源合成CH₃NH₃PbBr₃_-_xCl_x纳米晶体颗粒[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 2099 -2105 .
[13]	张绍政,刘佳,谢燕,陆银稷,李林,吕亮,杨建辉,韦世豪. 二维M₂XO_2-2x(OH)_2x(M=Ti, V;X=C, N)析氢催化活性的第一性原理研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 2022 -2028 .
[14]	刘继翀,唐峰,叶枫叶,陈琪,陈立桅. 利用扫描开尔文探针显微镜观察薄膜光电器件能级排布[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 1934 -1943 .
[15]	吕乾睿,李晶,廉志鹏,赵昊岩,董桂芳,李强,王立铎,严清峰. 基于CH₃NH₃PbI₃单晶的Ta₂O₅顶栅双极性场效应晶体管[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 249 -254 .

第一性原理研究混合钙钛矿CH₃NH₃Pb_xSn_1－xI₃结构及光电特性

First-Principles Investigation of the Structural and Photoelectronic Properties of CH₃NH₃Pb_xSn_1－xI₃ Mixed Perovskites

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 10