خواص الکترونیکی و نوری پروسکایت های Ba۳MBr۳ بدون سرب (M = N, P): بینش هایی از محاسبات اصول اولیه برای کاربردهای سلول خورشیدی

در این پژوهش، ویژگی های ساختاری، الکترونیکی و نوری ترکیبات پروسکایتی Ba₃MBr₃ با عناصر نیتروژن و فسفر در جایگاه M، به صورت سیستماتیک و با بهره گیری از محاسبات نظریه تابع چگالی مورد بررسی قرار گرفتند. برای افزایش دقت در مدل سازی برهم کنش های الکترونی، از تقریب گرادیان تعمیم یافته مرتبه دوم استفاده شد و محاسبات هم با و هم بدون در نظر گرفتن اثرات جفت شدگی اسپین-مدار انجام شدند. به منظور بهبود پیش بینی شکاف نواری، از تابعی هیبریدی Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) بهره گرفته شد. نتایج نشان دادند که در غیاب SOC، ترکیب Ba₃NBr₃ دارای شکاف نواری غیرمستقیم ۰/۳۶ الکترون ولت و Ba₃PBr₃ دارای شکاف ۰/۸۵ الکترون ولت است. با اعمال تابعی HSE، این مقادیر به ترتیب به ۰/۹۲ و ۱/۴۰الکترون ولت افزایش یافتند. با در نظر گرفتن SOC، شکاف نواری هر دو ترکیب اندکی کاهش یافت، که این کاهش در ترکیب نیتروژنی محسوس تر بود. تحلیل چگالی حالت ها نشان داد که اوربیتال های p از Br نقش اصلی را در نوار ظرفیت ایفا می کنند، در حالی که نوار رسانش عمدتا از اوربیتال های d عنصر Ba تشکیل شده است. نقشه های چگالی الکترونی نیز وجود پیوندهای یونی-کووالانسی را تایید کردند، به طوری که پیوند Ba–N نسبت به Ba–P دارای ویژگی کووالانسی قوی تری است. در مجموع، این مطالعه نشان می دهد که نوع عنصر جایگزین شده در جایگاه M و همچنین اثرات نسبیتی، تاثیر چشمگیری بر ساختار الکترونیکی و شکاف نواری این مواد دارند. این یافته ها می توانند راهگشای طراحی پروسکایت های پایدار و بدون سرب برای کاربردهای نوین اپتوالکترونیکی باشند.

کلیدواژه ها:

پروسکایت ، سلول های خورشیدی ، اثرات الکترونیکی ، اثرات اپتیکی ، جفت شدگی اسپین-مدار