二维α-FABX3杂化钙钛矿的结构与物性研究

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三维有机无机卤化物钙钛矿(3D OIHPs)由于其特殊的光电特性,在光伏领域有着极大的应用前景。迄今为止,单结3D OIHPs太阳能电池记录的最高光电转换效率为25.5%,这与传统太阳能电池如Si(26.1%)和Ga As(27.8%)相当。然而,3D OIHPs太阳能电池的稳定性不高,严重限制了它们的商业化应用。以3D FAPb I3为例,具有光活性的黑色立方α相可以在高温(T=150-185℃)下合成,但在冷却过程中会自发转变为非钙钛矿的黄色六角δ相,其在室温下也不稳定。提高OIHPs的稳定性的方法之一是降低体系的维度,也就是二维(2D)OIHPs,相比三维结构具有增强的稳定性、可调谐的带隙、更高的载流子迁移率、更长的载流子寿命和更优异的光吸收。此外,电子自旋作为一种可能的信息载体,被认为是未来信息技术最有希望的技术途径之一。因自旋轨道耦合效应引起的Rashba自旋劈裂效应由Bychkov和Rashba于1984年首次观察到,此后,人们进行了广泛的理论和实验研究,以期找到具有大Rashba效应的材料来操控电子自旋。在OIHPs中,Rashba效应可以抑制电子-空穴对复合,从而延长载流子寿命和扩散长度,进而提高这些材料的光伏效率。而低维OIHPs中Rashba效应背后的物理机制仍不够清晰。2D OIHPs材料的光电性质研究与钙钛矿材料在做成太阳能电池的吸收层器件后所能表现出的光伏性能息息相关。在钙钛矿的光电性能中,载流子的有效质量和迁移率决定载流子从吸收层到传输层的输运以及电极对它们的采集效果。而钙钛矿的光吸收系数则决定钙钛矿作为吸收层材料在吸收太阳光时的效果如何。因此,钙钛矿的输运性质和光学性质对于钙钛矿太阳能电池的光电转换效应有着重要的影响。在本文中,我们从第一性原理出发,利用密度泛函理论(DFT)计算,对α-FABX3(B=Ge,Sn,and Pb;X=Cl,Br,and I)钙钛矿的二维Ruddlesden-Popper(RP)相(化学式:FAn+1BnX3n+1)进行了系统的理论研究。我们的研究揭示了相关实验观察结果背后的物理机制,即随着层数的减少,2Dα-FABX3钙钛矿的稳定性得到增强。此外,2Dα-FABX3钙钛矿的Rashba自旋劈裂随着层数的增加呈现出显著的变化,其Rashba参数在0.54-1.58 e V·(?)的大范围内变化。我们的结果也表明,2Dα-FABX3(1-4层)钙钛矿具有从0.99到3.03 e V的较宽可调带隙范围,因此在高效的单结和串联太阳能电池中具有广泛的应用前景。此外,2Dα-FASn Br3(3层)和2Dα-FAPb I3(1-3层)钙钛矿的载流子迁移率高达10~2~10~3cm~2V-1s-1,具有非常高的电子输运性能。同时,它们在可见光区的吸收系数达到了10~5cm-1以上,可以作为优异的吸收层材料。我们的理论研究表明2Dα-FABX3钙钛矿相比于其3D结构具有个更好的稳定性、更加的光特性和更广的应用前景。
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