研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
贾利勒·乌尔·拉赫曼＊，胡玛·哈立德，穆罕默德·乌斯曼，比拉尔·塔希尔，阿比德·侯赛因
巴基斯坦拉希姆亚尔汗Khwaja Fareed工程与信息技术大学物理系
收到:2022年7月25日稿件编号:joms - 22 - 70152;编辑分配:2022年7月29日，预qcjoms - 22 - 70152 (PQ);综述:2022年8月12日joms - 22 - 70152;修改后:2022年8月19日，稿件编号:joms - 22 - 70152 (R);发表:2022年8月26日，DOI: 10.4172/2321-6212.10.8.001。
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本文研究了两种钙钛矿晶体CsPbX3.(X=Cl, F)，利用基于密度泛函理论的CASTEP代码详细研究了结构、光电和弹性性能。估计的晶格参数与先前的理论和实验结果吻合得很好。根据估计的电子结构轮廓，这些材料具有半导体性质。Pugh判据预测了CsPbX的韧性/脆性3.(X=Cl, F)，估计的弹性常数满足结构稳定性判据。介电函数表明，化合物的实部和虚部具有相似的能量保留能力。这些特性使它们成为太阳能电池和能量存储系统的理想材料。在高光子能量下，这些材料也起到超发光材料的作用。
钙钛矿晶体;光伏设备;密度泛函理论;卤素
太阳能是地球上最理想的可再生能源之一。简单来说，它是一种替代能源，可以解决当前的能源问题，实现各种能源[1］．太阳能电池是这种可再生能源的一个潜在来源，它将阳光直接转化为电能，很少产生副产品或温室气体排放。2］．卤化物钙钛矿在当今历史上获得了大量关注，用于开发太阳能电池和发光二极管等电子设备。已经启动了几个寻找无铅钙钛矿吸收化合物的项目。提高其能量转换效率的方法有很多，包括提高钙钛矿薄膜的有效性和规律性以及带隙调谐。钙钛矿近年来在太阳能电池领域引起了广泛的关注。ABX3.为杂化有机-无机钙钛矿(HOIPs)分子式，其中a位充满小的有机离子，b位充满二价金属原子，x位含有卤素[3.，4］．它们还具有出色的半导体和光吸收能力，使它们成为光电设备应用中有吸引力的候选者，特别是在光伏系统中，它们的功率转换效率超过20% [5，6］．因此，不同形式的光伏器件，如量子点和钙钛矿太阳能电池，在现代技术中与太阳能电池相关联。钙钛矿太阳能电池，通常被称为“第三代太阳能电池”，已被开发为一种可行的、环境可持续的、可再生的光伏替代品，具有解决全球能源领域关键问题的潜力[7］．此外，目前大多数基于太阳能电池的钙钛矿的转换效率高达25.5%。最近，在一个小型光电池中聚焦一个光透镜，突出了基于卤化物钙钛矿的超过46%的太阳能逆变器的理论性能。太阳能电池的转换效率取决于材料的光学特性或吸收光的能力，而吸收光的能力由材料的带隙决定。太阳能电池材料的带隙影响其效率，而物理特性和相变影响带隙。在这类材料中，有突出成就的大部分都含有铅(Pb)。因此，在实际使用这些材料时，铅的毒性是优先考虑的问题[8］．铅基金属卤化物钙钛矿在环境条件下分解，对环境有害[9，10］．在不同的温度下，这些化合物表现出改变晶体形态的灵活性。CsPbX中发生相变的温度范围3.(Cl, F)由与[11］．在本研究中，我们重点研究了两种钙钛矿CsPbX3.(X=Cl, F)，并使用密度泛函理论(DFT)来比较和对比它们的性质，特别注意第三个原子移位的影响。工作的组织方式如下:首先，我们解释计算;其次，我们提供了分析材料的结构性能;第三，我们描述和讨论得到的结果;最后，我们以一个总结结束。
电铸镍
在本研究中，所有的计算都是在密度泛函理论框架中使用全势线性化增强平面波方法(DFT)进行的。CASTEP用于执行所有的计算，这些计算在Material Studio中运行[12，13］．2 × 2 × 2含有原子的单位细胞被创建来产生所需的纯立方CsPbX3.(X=Cl, F)金属卤化物。化合物中原子的电子排布为:Cs:1s2, 2 s2, 2 p6, 3 s2、3 p6, 3 d10, 4 s24 p64 d10, 5 s2, 5便士66年代1， Cl: 1s2, 2 s2, 2 p6, 3 s2、3 p6， F: 1s2, 2 s2, 2 p5， Pb: 1s22 s22 p63 s23 p63 d104 s24 p64 d104 f14, 5 s2, 5便士65 d106年代1．两种材料，CsPbX3.(X=Cl, F)，属于Pm3m空间群。在纯样本中，采用4 × 4 × 4 k点来保证计算和几何优化的收敛准则。对于CsPbX3.(X=Cl, F)时，波函数的平面波截止能在244.9 eV处膨胀。残余力在原子几何优化过程中起作用;它是0.3 eV/A0。最大应变幅值设为0。003.基于DFT孔sham轨道，利用CASTEP软件进行光学性质的计算。CsPbX3.(X=Cl, F)化合物原子分别位于Wyckoff坐标1a (0,0,0)， 1b (0.5,0.5,0.5)， 3c(0.5,0.5,0)。对于化合物，CsPbX的每原子总能量3.(X=Cl, F)为2.0 × 105eV/原子，最大力为0.05 eV/Å。化合物的最大应力为0.1 GPa，最大位移为0.002 Å。将总能量与体积相比较，Murnaghan的状态方程给出了化合物的晶格常数和体模量。
结构分析
CsPbX的两种单元格的几何优化3.(X=Cl, F)提供了体积、晶格常数和体积模量等计算方法。因为这些钙钛矿对温度敏感，CsPbX3.(X=Cl, F)在不同温度下表现为不同阶段。如图1a及1b， CsPbX的结构解释3.(X=Cl, F)是立方的，Pb在中间，六个卤素在表面，Cs在立方的角落。该化合物的正交相在室温下是稳定的[14］．每当温度升高时，结构就会发生扭曲，材料就会进入四方相。
图1:(a) CsPbCl晶体结构3.(b) CsPbF3.．
文中给出了这些化合物的优化晶格参数值表1。
| 点阵参数(Å) | 卷(Å 3) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 一个 | b | c | |||
| 之前的研究 | CsPbCl3.［15］ | 5.732 | 5.732 | 5.732 | 188.32 |
| CsPbF3. | 4.774 | 4.774 | 4.774 | 108．8 | |
| 当前的研究 | CsPbCl3. | 5.818 | 5.818 | 5.818 | 196.93 |
| CsPbF3. | 5.054 | 5.054 | 5.054 | 129.09 | |
表1。CsPbX3 (X=Cl, F)的晶格参数和体积。
之前报告的CsPbCl值3.格参数为a=b=c=5.732，与当前值更接近，仅相差0.08。先前报告的CsPbF值3.晶格参数为a=b=c=4.77A，与本研究值比较接近，仅差0.28。
电子性质
在确认优化晶体结构的合理性后，我们继续讨论这两种晶体的电子性质。首先，我们从带隙开始，然后计算TDOS和PDOS。带隙结构表示各自材料的价电子贡献。
相比之下，PDOS允许子状态(如材料的s、p、d和f状态)之间的带内和带间转换。价带和导带是两种不同类型的能带。价带位于费米能级以下(EF)，而导带在其上方。如果VBM恰好发生在CBM上，则带隙是直接的。
在另一种情况下，当CBM和VBM没有完全对齐时，会形成间接带隙。所计算的能带结构可以在图2a和2b．CsPbX3.(X=Cl, F)在R处导带和价带之间有直接带隙，导带隙最小，价带隙最大。CsPbCl带隙电流计算3.和CsPbF为2.370 eV和3.028 eV，之前报道的带隙值为2.168 eV和5.344 eV。CsPbF的带隙3.比CsPbCl更显著3.．带结构中的水平虚线表示费米能级EF．
图2:(a) CsPbCl的能带结构3.(b) CsPbF3.．
态密度理论解释了CsPbX带隙能量的性质3.(Cl, F)化合物。在图3，显示状态的总密度，这解释了化合物的性质。这些化合物的TDOS图显示这些材料具有半导体特性。CsPbCl的TDOS峰值3.在-15.67 eV处出现，最小峰在11.68 eV处出现。CsPbF的TDOS峰值3.在-2.15 eV处出现，最小峰在9.68 eV处出现。PDOS图显示了原子及其各种状态对CsPbX带隙能量的贡献3.(Cl, F)化合物。
图3:CsPbCl的总态密度3.和CsPbF3.．
所以TDOS和PDOS图的能量范围是- 10ev到20ev。在图4一，为CsPbCl的PDOS图3.（图4一)和CsPbF3.（图4 b)．在PDOS图中，CsPbCl中s态的主峰3.和CsPbF3.分别为6.30 eV和7.32 eV, p态分别为-6.98 eV和-2.08 eV。CsPbX的最大峰3.(Cl, F)化合物分别为19.08和20.02。
图4:(a) CsPbCl的部分态密度3.及(b)公积金公积金3.．
弹性性质
尽管所研究的化合物具有立方对称，我们将只计算三个弹性参数C11C12，和C44，以描述其机械性能[16］．CsPbX的力学特性3.(Cl, F)化合物使用CASTEP代码进行了研究。研究表明，弹性常数是稳定的，符合立方晶体的力学稳定性标准。所有的成分都清楚地满足众所周知的Born稳定性标准，该标准如下11−C12> 0, C11> 0, C44> 0, C11c + 212> 0 (17］．借助于计算的弹性常数，给出了化合物最重要的力学特性表2．利用下面的关系，我们可以找到下面提到的术语:
B = (C11c + 212) / 3 -------- ( 1)
= (2 c4) / (C11- c12) --------- (2)
E=(9bg)/(3b + g) --------- (3)
v=(3B-2G)/2(2B+G) ---------------- (4)
G=(Gv+GR)/2 ---------------- (5)
全球之声= (C11- c12+ 3 c44) / 5 -------------------( 6)
GR = 5 c44(C11- c12) / 4摄氏度44+ 3 (C11- c12) -----------------( 7)
体模量是表征材料刚度的最关键的力学参数之一。定义材料粘接性质和塑性的另一个基本参数是泊松比。材料的延展性或脆性可以用B/G天平测定。如果比值小于1.75，材料是脆性的;如果比值大于1.75，材料是延展性的。根据Pugh的标准，CsPbCl3.和CsPbF3.是脆的。如果泊松比大于0.26，材料是脆性的;如果泊松比小于0.26，化合物是延展性的。所以两种化合物都是易碎的。测定了两种化合物CsPbCl的各向异性因子3.和CsPbF3.；中提到了这些值表2．如果因子A等于1，则材料是各向同性的;反之，则为各向异性[18］．CsPbCl的A值3.和CsPbF3.不等于1，所以化合物是各向异性的。第一性原理计算计算单晶两种化合物的弹性常数C11C12，和C44．
| 参数 | CsPbCl3. | CsPbF3. |
| C11 | 37.5249 | 32.1996 |
| C12 | 6.0578 | -19.434 |
| C44 | 7.23385 | 13.441 |
| 一个 | 0.76171 | 0.52965 |
| G | 10.6337 | 18.3913 |
| E | 26.2731 | -31.3841 |
| V | 0.23537 | -1.85323 |
| B / G | 1.556 | 0.1208 |
表2。CsPbX的弹性常数、体模量、剪切模量和杨氏模量，以及B/G比和各向异性比3.(Cl, F)。
光学性质
在所有光伏材料中，CsPbX3.(Cl, F)类化合物是最好的光吸收剂[19，20.］．因此，增进对这些材料的了解符合所有科学家的利益，这样才能开发出更持久、更高效的太阳能电池和其他太阳能系统。21，22］．来理解这些CsPbX3.(Cl, F)化合物对入射光子的响应，我们可以计算不同的光学参数。利用ε1(u)和ε2(u)分别给出的介电函数，我们可以解释中所示的这些立方化合物的光学性质图5 a-5f．用下列关系式计算各种光学性质:
ε(ω)=ε1我ε(ω)+ 2(ω )-------------( 一)
n(ω)=(ε(ω)/ 2 + 1{21(ω)+εε(ω)21日}1/2/2]1/2 ... ... .......(b)
L(ω)= im(ε(ω)−1)=ε2(ω)1 /ε(ω)2 +ε2(ω)2 ... ... ... ... ... ( c)
我(ω)= figueresω({ε12(ω)+ε12(ω)}1 1/2 -ε(ω)]1/2 ... ... ... ... ....(d)
R(ω)= (n +ꜟk - 1) / ((n +我K +1) ... ... ... ...(e)
K(ω)= i (ω)/2 ω ... ....(f)
在图5一个，表示CsPbCl3.在16.58eV时，CsPbF的反射率峰值为0.4723.在16.24 eV时，最高值为0.387。就光伏而言，它是材料的一种基本光学性质。图5 b显示，CsPbCl在33.51 eV处的吸收峰值为432581.963.CsPbF峰值明显3.在15.60 eV时为324180.32。图5 c表示两种化合物对CsPbCl的折射率3.实部的峰值为2.347，在3.786 eV，虚部的峰值为1.362，在14.46 eV。对于CsPbF3.其中，折射率实部在4.49 eV处峰值为2.045，虚部在15.49 eV处峰值为1.295。一般来说，共价键的折射率比离子键大[23］．图5 d显示CsPbCl的强峰值3.介电函数在3.56 eV时实部为5.30，在4.84 eV时虚部为4.190。对于CsPbF3.，实部和虚部的峰值分别为4.2 eV时的4.028和14.89 eV时的3.140。光电导率是由外加电磁场引起的电子传导特性[24，25］．图5 e显示电导率;的CsPbCl3.实部和虚部的最大峰值分别为5.335和3.945。CsPbCl实部的尖峰3.在14.01 eV，虚部在14.78 eV。的CsPbF3.在14.97 eV时电导率的实部峰值为5.707，在15.86 eV时电导率的虚部峰值为3.827。CsPbX的能量损失函数3.(Cl, F)化合物描述了当入射光子的能量超过材料的带隙时能量是如何损失的[26，27］．图5 f为两种化合物的损失函数，CsPbCl的峰值明显3.和CsPbF3.17.8 eV时为4.584,20.06 eV时为2.081。
图5:CsPbCl的光学性质3.和CsPbF3.(a)反射(b)吸收(c)折射率(d)介电函数(e)电导率(f)损耗函数。
立方卤化铯钙钛矿CsPbX的结构、电学、光学和弹性特性3.(Cl, F)采用CASTEP代码第一性原理计算。这些卤化铯钙钛矿在机械上足够稳定，可以归类为立方晶体，由于它们的直接带隙，它们表现出半导体行为。这两种化合物根据各向异性因素表示各向异性行为。在0 ~ 40 eV能量范围内，研究了光学性质。CsPbX3.(Cl, F)具有优异的性能，使其成为储能设备和太阳能电池的理想材料。我们希望我们的工作为未来的实验和理论研究提供更好的表现，并获得材料科学的各种发现和创新。
［谷歌学者］
