A2MX6型卤化物钙钛矿材料的第一性原理研究

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无铅金属卤化物钙钛矿材料因其环保特性和出色的光电性质,已成为太阳能电池、发光二极管和光电探测器等领域的研究热点。作为卤化物钙钛矿材料中的一族,A2MX6型卤化物钙钛矿材料已被研究人员从实验上证实是具有广泛应用前景的光电材料之一。这类钙钛矿材料具有光电性质佳、环境友好、稳定性高等优点,被视作铅卤钙钛矿的潜在替代材料。除了实验研究外,第一性原理计算等理论方法在对A2MX6型卤化物钙钛矿光电材料的研究中发挥了重要作用。本文基于密度泛函理论框架的第一性原理计算,采用Materials Studio软件中的CASTEP模块研究了几种A2MX6型卤化物钙钛矿,通过对其稳定性、弹性、电子、光学性质等方面的分析,拓展了可以作为光电材料的A2MX6型卤化物钙钛矿的范围,为实验上探索无铅卤化物钙钛矿材料提供了一定的理论解释与参考作用。首先,采用第一性原理计算研究了 Cs2PtI6和Rb2PtI6的电子和光学性质,研究表明碱金属元素的变化对光电性质的影响较小。计算结果显示,理论优化的Cs2PtI6和Rb2PtI6的晶体结构参数与实验数据吻合。Cs2PtI6和Rb2PtI6具有较好的稳定性。Cs2PtI6和Rb2PtI6都是间接带隙半导体,带隙值分别为1.29 eV和1.15 eV,均适用于太阳能电池的光敏材料。对于Cs2PtI6和Rb2PtI6,价带顶(Valence band maximum,VBM)电子云主要由I-5p轨道贡献,而导带底(Conduction band minimum,CBM)电子云则主要由I-5p轨道和Pt-5d轨道组成的杂化轨道贡献。Cs2PtI6和Rb2PtI6在0-12 eV光子能量范围内表现出较好的光吸收和较低的能量损失。然后,采用第一性原理计算研究了K2PdCl6和K2PdBr6的弹性、电子和光学性质。由K2PdCl6和K2PdBr6的容差因子和弹性刚度常数的计算值可以确定它们能形成稳定的三维立方晶体结构,且K2PdCl6和K2PdBr6具有热力学稳定性。计算结果表明,K2PdCl6材料是脆性的,而K2PdBr6材料具有一定的柔性;K2PdCl6和K2PdBr6都是间接带隙半导体,带隙值分别为2.151 eV和1.368 eV,表明它们适合用于光电器件。此外,K2PdCl6和K2PdBr6在0-12 eV光子能量范围内的光学性质进一步揭示了这两种化合物在单结和串联太阳能电池以及其它光电器件中的应用潜力。最后,采用第一性原理计算研究了 0-6 GPa静水压力下Cs2PdBr6的晶体结构、弹性、电子和光学性质,步长定为0.5 GPa。无静水压力下得到的计算结果与已有的实验值吻合较好。施加静水压力后,Cs2PdBr6的晶格常数、各键键长等晶体结构参数出现非线性变化,但其依然能保持稳定的立方晶体结构。随着压力的增大,Cs2PdBr6的体积模量、剪切模量和杨氏模量逐渐增大,并且柔性逐渐增强。静水压力可以使Cs2PdBr6的导带和价带靠拢,导致带隙值变小,被激发的光电子更容易向导带移动,从而增强了吸收、导电等光电性质。综合来看,静水压力可以改变Cs2PdBr6的带隙值、提升其光电性能,使其更适合用作为太阳能电池光吸收层材料。
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