Passivação de superfícies de perovskitas via dopagem substitucional
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Tese |
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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. |
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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 |
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