Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Torres, Israel Silva
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18915
Resumo: Humanity currently demands new energy sources to replace polluting energy sources and thus restructure the energy matrix in a sustainable manner. In this context, materials science plays a prominent role, as new materials enable the creation of sustainable and commercially viable energy sources. Perovskites have taken on a prominent role as light absorbers in photovoltaic cells by offering a low-cost alternative with superior optoelectronic properties, potentially surpassing current silicon-based technology. However, the application of these materials in solar energy conversion technology still faces various challenges in achieving competitive efficiency from a commercial perspective, and various enhancement strategies have been proposed. In particular, chemical surface passivation has shown promise in numerous experiments, but with many unexplored possibilities. In this doctoral thesis, we propose a novel surface passivation route through substitutional doping with trivalent cations. As a proof of concept, we apply our proposal to passivate the inorganic perovskite α-CsPbI3 on the (100) surface by replacing the Pb atoms occupying the surface octahedra with trivalent cations, namely In, Sb, and Bi. Our investigation employed ab initio simulation techniques based on density functional theory calculations.We found a preferential doping position in the surface octahedra with more than 0,35 eV/dopant compared to doping in deeper layers. We also observed a reduction in the band gap due to the addition of surface states, resulting in optical band gaps larger than the fundamental ones due to forbidden optical transitions (i.e., dark transitions). Among the dopants used, surface passivation with Bi atoms proved to be the most effective, with enhanced solar light absorption compared to the non-passivated α-CsPbI3 phase. Additionally, we varied the doping concentration and demonstrated the possibility of combining trivalent cations with other passivation mechanisms. Thus, our results for the specific case of α-CsPbI3 perovskite demonstrate the effectiveness of this doping proposal, pointing to a promising new route for improving the optoelectronic properties of perovskites in the field of photovoltaic applications.
id SCAR_26968f61f1786be163fc8413d6b2adce
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/18915
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str 4322
spelling Torres, Israel SilvaLima, Matheus Paeshttp://lattes.cnpq.br/1835846543912999http://lattes.cnpq.br/7602145976843730c746f3be-8635-4da9-82d1-3825c364ad4f2023-11-16T19:22:32Z2023-11-16T19:22:32Z2023-10-26TORRES, Israel Silva. Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional. 2023. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18915.https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18915Humanity currently demands new energy sources to replace polluting energy sources and thus restructure the energy matrix in a sustainable manner. In this context, materials science plays a prominent role, as new materials enable the creation of sustainable and commercially viable energy sources. Perovskites have taken on a prominent role as light absorbers in photovoltaic cells by offering a low-cost alternative with superior optoelectronic properties, potentially surpassing current silicon-based technology. However, the application of these materials in solar energy conversion technology still faces various challenges in achieving competitive efficiency from a commercial perspective, and various enhancement strategies have been proposed. In particular, chemical surface passivation has shown promise in numerous experiments, but with many unexplored possibilities. In this doctoral thesis, we propose a novel surface passivation route through substitutional doping with trivalent cations. As a proof of concept, we apply our proposal to passivate the inorganic perovskite α-CsPbI3 on the (100) surface by replacing the Pb atoms occupying the surface octahedra with trivalent cations, namely In, Sb, and Bi. Our investigation employed ab initio simulation techniques based on density functional theory calculations.We found a preferential doping position in the surface octahedra with more than 0,35 eV/dopant compared to doping in deeper layers. We also observed a reduction in the band gap due to the addition of surface states, resulting in optical band gaps larger than the fundamental ones due to forbidden optical transitions (i.e., dark transitions). Among the dopants used, surface passivation with Bi atoms proved to be the most effective, with enhanced solar light absorption compared to the non-passivated α-CsPbI3 phase. Additionally, we varied the doping concentration and demonstrated the possibility of combining trivalent cations with other passivation mechanisms. Thus, our results for the specific case of α-CsPbI3 perovskite demonstrate the effectiveness of this doping proposal, pointing to a promising new route for improving the optoelectronic properties of perovskites in the field of photovoltaic applications.A humanidade apresenta atualmente uma demanda por novas fontes de energia para substituir as fontes de energia poluentes e desta forma re-estruturar a matriz energética de forma sustentável. Neste contexto, a ciência dos materiais assume papel de destaque, uma vez que novos materiais possibilitam a criação de novas fontes de energia sustentáveis e comercialmente viáveis. As perovskitas assumiram papel de destaque como absorvedores de luz de células fotovoltaicas ao se mostrarem uma alternativa de baixo custo e com propriedades optoeletrônicas superiores, tendo potencial para superar a tecnologia atual baseada em silício. Entretanto, a aplicação desses materiais em tecnologia de conversão de luz solar ainda enfrenta diversos desafios para alcançar uma eficiência competitiva do ponto de vista comercial, e diversas estratégias de melhoria têm sido propostas. Em particular, a passivação química de superfície se mostrou promissora em diversos experimentos, sobretudo na estabilidade estrutural e propriedades eletrônicas mas com muitas possibilidades ainda inexploradas. Nesta tese de doutorado, propomos uma rota de passivação de superfície inédita com dopagem substitucional usando cátions trivalentes. Como prova de conceito, aplicamos nossa proposta na passivação da perovskita inorgânica α-CsPbI3, na superfície (100) por meio da substituição dos Pb que ocupam os octaédros de superfície por cátions trivalentes, a saber, In, Sb e Bi. Nossa investigação utilizou técnicas de simulação ab initio baseadas em cálculos fundamentados na teoria do funcional da densidade. Encontramos uma posição preferencial de dopagem nos octaedros superficiais com mais de 0,35 eV/dopante em comparação com a dopagem de camadas mais internas. Também encontramos uma diminuição do band gap devido à adição de estados de superfície que resultam em band gaps ópticos maiores do que os fundamentais devido à transições óticas proibidas (ou seja, transições dark). Dentre os dopantes utilizados, a passivação de superfície com átomos de Bi demonstrou ser a mais eficaz, com absorção de luz solar aprimorada em comparação com a fase α-CsPbI3 não passivada. Além disso, alteramos a concentração de dopagem e demonstramos a possibilidade de combinar cátions trivalentes com outros mecanismos de passivação. Sendo assim, nossos resultados para o caso particular da perovskita α-CsPbI3 demonstram a efetividade desta proposta de dopagem, o que apontam uma nova rota promissora para melhorar as propriedades optoeletrônicas de perovskitas no âmbito de aplicações fotovoltaicas.Não recebi financiamentoporUniversidade 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/openAccessPerovskitas de haletosDispositivos fotovoltaicosPassivação de superfíciesTeoria da funcional da densidadeCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADAPassivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucionalPerovskite surface passivation through substitutional dopinginfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis6006005ce07364-cf68-4314-8944-e8d39a4fb8f9reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese_ISRAEL.pdfTese_ISRAEL.pdfTese_Israelapplication/pdf1581791https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18915/1/Tese_ISRAEL.pdfaa589621ab14589fe17e4be55218b538MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18915/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTTese_ISRAEL.pdf.txtTese_ISRAEL.pdf.txtExtracted texttext/plain111736https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18915/3/Tese_ISRAEL.pdf.txte1c0fadb56a3b4f8a4859c4049a0da43MD53ufscar/189152024-05-14 17:20:57.448oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/18915Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T17:20:57Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.por.fl_str_mv Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Perovskite surface passivation through substitutional doping
title Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
spellingShingle Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
Torres, Israel Silva
Perovskitas de haletos
Dispositivos fotovoltaicos
Passivação de superfícies
Teoria da funcional da densidade
CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
title_short Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
title_full Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
title_fullStr Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
title_full_unstemmed Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
title_sort Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
author Torres, Israel Silva
author_facet Torres, Israel Silva
author_role author
dc.contributor.authorlattes.por.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/7602145976843730
dc.contributor.author.fl_str_mv Torres, Israel Silva
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Lima, Matheus Paes
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/1835846543912999
dc.contributor.authorID.fl_str_mv c746f3be-8635-4da9-82d1-3825c364ad4f
contributor_str_mv Lima, Matheus Paes
dc.subject.por.fl_str_mv Perovskitas de haletos
Dispositivos fotovoltaicos
Passivação de superfícies
Teoria da funcional da densidade
topic Perovskitas de haletos
Dispositivos fotovoltaicos
Passivação de superfícies
Teoria da funcional da densidade
CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
dc.subject.cnpq.fl_str_mv CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
description Humanity currently demands new energy sources to replace polluting energy sources and thus restructure the energy matrix in a sustainable manner. In this context, materials science plays a prominent role, as new materials enable the creation of sustainable and commercially viable energy sources. Perovskites have taken on a prominent role as light absorbers in photovoltaic cells by offering a low-cost alternative with superior optoelectronic properties, potentially surpassing current silicon-based technology. However, the application of these materials in solar energy conversion technology still faces various challenges in achieving competitive efficiency from a commercial perspective, and various enhancement strategies have been proposed. In particular, chemical surface passivation has shown promise in numerous experiments, but with many unexplored possibilities. In this doctoral thesis, we propose a novel surface passivation route through substitutional doping with trivalent cations. As a proof of concept, we apply our proposal to passivate the inorganic perovskite α-CsPbI3 on the (100) surface by replacing the Pb atoms occupying the surface octahedra with trivalent cations, namely In, Sb, and Bi. Our investigation employed ab initio simulation techniques based on density functional theory calculations.We found a preferential doping position in the surface octahedra with more than 0,35 eV/dopant compared to doping in deeper layers. We also observed a reduction in the band gap due to the addition of surface states, resulting in optical band gaps larger than the fundamental ones due to forbidden optical transitions (i.e., dark transitions). Among the dopants used, surface passivation with Bi atoms proved to be the most effective, with enhanced solar light absorption compared to the non-passivated α-CsPbI3 phase. Additionally, we varied the doping concentration and demonstrated the possibility of combining trivalent cations with other passivation mechanisms. Thus, our results for the specific case of α-CsPbI3 perovskite demonstrate the effectiveness of this doping proposal, pointing to a promising new route for improving the optoelectronic properties of perovskites in the field of photovoltaic applications.
publishDate 2023
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2023-11-16T19:22:32Z
dc.date.available.fl_str_mv 2023-11-16T19:22:32Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2023-10-26
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv TORRES, Israel Silva. Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional. 2023. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18915.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18915
identifier_str_mv TORRES, Israel Silva. Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional. 2023. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18915.
url https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18915
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.confidence.fl_str_mv 600
600
dc.relation.authority.fl_str_mv 5ce07364-cf68-4314-8944-e8d39a4fb8f9
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Física - PPGF
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18915/1/Tese_ISRAEL.pdf
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18915/2/license_rdf
https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18915/3/Tese_ISRAEL.pdf.txt
bitstream.checksum.fl_str_mv aa589621ab14589fe17e4be55218b538
f337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aec
e1c0fadb56a3b4f8a4859c4049a0da43
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1802136429570031616