Efeitos de dimensionalidade em perovskitas de haletos para aplicações em células solares: um estudo ab initio

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Autor(a) principal: Almeida, João Gabriel Danelon Vieira de
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/16874
Resumo: The structural stability and toxic lead are known obstacles to the current photovoltaic application of perovskite solar cells (PSCs) with high power conversion efficiencies (PCEs). Herein, we perform a systematic study contrasting structural, energetic and optoelectronic properties of 3D and 2D perovskites by substituting metal and halide compositions, and estimating the maximum PCE of these systems. Our investigation was performed with ab initio density functional theory calculations as implemented in the VASP (Vienna ab initio simulation package) code. We investigate 3D MABX3 perovskites with a 2x2x2 supercell and 2D (BA)2(MA)B2X7 (B = Ge, Sn, Pb, X = Cl, Br, I) structures with two octahedral layers. The inclusion of the organic spacer molecules is observed to change the distortions inside the octahedra and weaken the Jahn-Teller effect, as the effective coordination number for the B atom goes from 3.67 NNN to 5.16 NNN (NNN, number of nearest neighbors) considering 3D and 2D GeI-based materials. The BA molecules also provide a greater distortion between octahedra, with angles between B-X-B atoms presenting values in average 5º smaller than the bulk materials, which is a important factor as these distortions are known to affect the electronic band gap. Contrasting the stability of 3D and 2D perovskites, we observed that the presence of organic spacers on the 2D structure increases the cation/anion charge separation, which produces stronger Coulomb interactions resulting in a better stability. Our PCE estimates resulted in 8 perovskite combinations with values over 27% considering both 3D and 2D structures with BX = GeI, SnBr, SnI and PbI. Moreover, the 2D perovskites reached maximum PCEs with a 3.5x narrower layer thickness than 3D perovskites, envisioning a substantial fabrication cost reduction. Furthermore, the PCE estimate for (BA)2(MA)Sn2I7 showed an excellent result of 32.40%, a higher value than its 3D analogous MASnI3 with 27.63% and also higher than the 29.90% value for MAPbI3. The obtained results reinforce the better stability of 2D PSCs and can suggest promising materials with high PCE and without the toxicity of Pb.
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Our investigation was performed with ab initio density functional theory calculations as implemented in the VASP (Vienna ab initio simulation package) code. We investigate 3D MABX3 perovskites with a 2x2x2 supercell and 2D (BA)2(MA)B2X7 (B = Ge, Sn, Pb, X = Cl, Br, I) structures with two octahedral layers. The inclusion of the organic spacer molecules is observed to change the distortions inside the octahedra and weaken the Jahn-Teller effect, as the effective coordination number for the B atom goes from 3.67 NNN to 5.16 NNN (NNN, number of nearest neighbors) considering 3D and 2D GeI-based materials. The BA molecules also provide a greater distortion between octahedra, with angles between B-X-B atoms presenting values in average 5º smaller than the bulk materials, which is a important factor as these distortions are known to affect the electronic band gap. Contrasting the stability of 3D and 2D perovskites, we observed that the presence of organic spacers on the 2D structure increases the cation/anion charge separation, which produces stronger Coulomb interactions resulting in a better stability. Our PCE estimates resulted in 8 perovskite combinations with values over 27% considering both 3D and 2D structures with BX = GeI, SnBr, SnI and PbI. Moreover, the 2D perovskites reached maximum PCEs with a 3.5x narrower layer thickness than 3D perovskites, envisioning a substantial fabrication cost reduction. Furthermore, the PCE estimate for (BA)2(MA)Sn2I7 showed an excellent result of 32.40%, a higher value than its 3D analogous MASnI3 with 27.63% and also higher than the 29.90% value for MAPbI3. The obtained results reinforce the better stability of 2D PSCs and can suggest promising materials with high PCE and without the toxicity of Pb.A estabilidade estrutural e o chumbo tóxico são obstáculos conhecidos para a atual aplicação fotovoltaica de células solares com perovskita (do inglês, PSCs) de alta eficiência de conversão energética (do inglês, PCE). Aqui, fazemos um estudo sistemático ao comparar propriedades estruturais, energéticas e optoeletrônicas de perovskitas 3D e 2D ao trocar a composição de metais e haletos na estrutura, e estimando o máximo PCE desses sistemas. Nossa investigação foi realizada com cálculos ab initio baseados na teoria do funcional densidade (do inglês, DFT) como implementado pelo código VASP (Vienna ab initio simulation package). Investigamos as estruturas 3D MABX3 com uma supercélula 2x2x2 e as estruturas 2D (BA)2(MA)B2X7 com duas camadas de octaedros (B = Ge, Sn, Pb, X = Cl, Br, I). Nota-se que a inclusão das moléculas orgânicas separadoras muda as distorções internas aos octaedros e enfraquece os efeitos de Jahn-Teller, uma vez que os números de coordenação efetivos para o átomo central B vão de 3,67 NNN a 5,16 NNN (NNN, do inglês, número de vizinhos mais próximos) considerando os materiais 3D e 2D à base de GeI. As moléculas BA também produzem uma maior distorção entre octaedros, com ângulos entre os átomos B-X-B tendo valores 5º menores, em média, que os materiais bulk, o que é um resultado importante considerando que essas distorções afetam o band gap eletrônico. Ao contrastar a estabilidade das perovskitas 3D e 2D, observamos que a presença dos espaçadores orgânicos nas estruturas 2D aumenta a separação de cargas cátion/ânion, o que produz interações de Coulomb mais fortes e, consequentemente, uma melhor estabilidade. Nossas estimativas de PCE trouxeram 8 materiais de combinações BX com PCE acima de 27% considerando ambas estruturas 3D e 2D com BX = GeI, SnBr, SnI e PbI. Além disso, as perovskitas 2D atingiram um valor máximo com uma espessura cerca de 3,5x menor que dos materiais bulk, o que se relaciona a uma possível redução considerável de custos de fabricação. Também obtivemos uma excelente estimativa de PCE para (BA)2(MA)Sn2I7 com 32,40%, um valor maior que para seu análogo 3D MASnI3 com 27,63% e também maior que o valor de 29,90% para MAPbI3. Os resultados obtidos reforçam a melhor estabilidade de PSCs 2D e permitem sugerir materiais promissores com alto PCE e sem a toxicidade do Pb.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Processo nº 131673/2020-3, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Física - PPGFUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessPerovskitasEstabilidadeOptoeletrônicaBidimensionalPerovskitesStabilityOptoelectronicTwo-dimensionalCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAEfeitos de dimensionalidade em perovskitas de haletos para aplicações em células solares: um estudo ab initioDimensionality effects in halide perovskites for solar cells applications: an ab initio investigationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis6006005ce07364-cf68-4314-8944-e8d39a4fb8f9reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALdissertacao_JoaoGabriel_final.pdfdissertacao_JoaoGabriel_final.pdfDissertação finalapplication/pdf6408988https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16874/5/dissertacao_JoaoGabriel_final.pdff22a33935cd4595b62c4082717b3c25fMD55carta_versao_final.pdfcarta_versao_final.pdfCarta dissertação finalapplication/pdf284985https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16874/6/carta_versao_final.pdfe84c5b88f5c40ff2b426fdaa8633feb7MD56CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16874/7/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD57TEXTdissertacao_JoaoGabriel_final.pdf.txtdissertacao_JoaoGabriel_final.pdf.txtExtracted texttext/plain254888https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16874/8/dissertacao_JoaoGabriel_final.pdf.txt9be771d41591406dae9085be37613f2cMD58carta_versao_final.pdf.txtcarta_versao_final.pdf.txtExtracted texttext/plain1https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16874/10/carta_versao_final.pdf.txt68b329da9893e34099c7d8ad5cb9c940MD510THUMBNAILdissertacao_JoaoGabriel_final.pdf.jpgdissertacao_JoaoGabriel_final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg5960https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16874/9/dissertacao_JoaoGabriel_final.pdf.jpg0ddaa7025bfebf07973f78581f91257bMD59carta_versao_final.pdf.jpgcarta_versao_final.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10858https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/16874/11/carta_versao_final.pdf.jpg1ef089d8498196aca29efdd267592997MD511ufscar/168742023-09-18 18:32:33.493oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/16874Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:33Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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