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    1. MedeA案例三十三:MedeA在鈣鈦礦材料中的應用

      2018-08-15 23:41:47 來源:源資信息科技(上海)有限公司

      新聞摘要:鈣鈦礦材料具有以下優勢:合適的帶隙、較寬的吸收光譜、有限的電荷重組及低制造成本。鈣鈦礦中雜化鹵化鉛由于其優異的性能及在光伏和光電領域中的潛在應用,備受大家關注。研究發現,增加鈣鈦礦復雜性可提高鈣鈦礦在潮濕環境中穩定性。如Cs可應用在FAPbI3鈣鈦礦中,提高混合物熵,從而提高鈣鈦礦材料的穩定性。本案例中,作者在FAPbI3中摻雜Rb+,用第一性原理研究Rb摻雜FAPbI3結構的穩定性及H2O分子在

      Rb摻雜及H2O分解對FAPbI3鈣鈦礦表面的影響:

      第一性原理研究


      1. 研究背景

      鈣鈦礦材料具有以下優勢:合適的帶隙、較寬的吸收光譜、有限的電荷重組及低制造成本。鈣鈦礦中雜化鹵化鉛由于其優異的性能及在光伏和光電領域中的潛在應用,備受大家關注。研究發現,增加鈣鈦礦復雜性可提高鈣鈦礦在潮濕環境中穩定性。如Cs可應用在FAPbI3鈣鈦礦中,提高混合物熵,從而提高鈣鈦礦材料的穩定性。本案例中,作者在FAPbI3中摻雜Rb+,用第一性原理研究Rb摻雜FAPbI3結構的穩定性及H2O分子在表面的分解。


      2. 建模與計算方法

      作者通過Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA搜索了FAPbI3的立方型結構,隨后采用SurfaceBuilder創建了FAPbI3晶胞的(100)、(010)、(001)表面,采用SupercellBuilder創建2×2FAPbI3晶胞,計算水分解。接著,采用Substitutional Search創建了三種不同Rb摻雜FAPbI3結構:表層摻雜;次表層摻雜及底層摻雜。然后,作者采用MedeA-VASP模塊中對不同體系進行結構優化;隨后計算了Rb摻雜FAPbI3不同結構的電子、光學等性質。


      3. 結果與討論

      3.1 不同Rb摻雜FAPbI3結構表面能、電子性質

      作者采用MedeA-VASP模塊對FAPbI3結構的(100)、(010)、(001)表面進行優化,具體能量見表1。從表中可以看到(001)方向表比其它方向表面能低;PbI2-(001)相對最穩定。

      表1? 不同FAPbI3面的表面能


      隨后作者研究了三種Rb在FAPbI3(001)面的不同摻雜結構,見圖1左。三種結構表面能排序:表層<次表層<第三層;結果表明Rb原子在表面比在次表面摻雜更穩定,而主要原因則是,表面摻雜造成了表面結構的重構變形使其更穩定。

      圖1左(a)表層摻雜,(b)次表層摻雜,(c)第三層摻雜Rb0.3FAPbI3(001)表面

      圖1右原始結構及第三層摻雜Rb0.3FA0.7PbI3(001)面DOS


      作者還通過MedeA-VASP模塊對Rb摻雜結構進行DOS分析,見圖1右。相比于原始的FAPbI3表面,Rb摻雜后FAPbI3導帶向低能量處有顯著位移,造成導帶減小。摻雜結構中導帶變化是由Rb 3d軌道導致。


      3.2 H2O在FAPbI3上吸附研究

      接著作者采用MedeA-VASP模塊對H2O在FAPbI3(001)面上吸附進行計算,見表2。H2O在FAPbI3表面上,FA-top,Pb-top及I-top位點,吸附能具有較高對稱性。Pb-top位點,H2O吸附能最大,而在I-top位,吸附能最小。

      表2? H2O在FAPbI3(001)面及各種摻雜表面上的吸附能(eV)


      隨后,作者又計算了干凈(表層摻雜Rb)表面、吸附H2O分子的干凈(表層摻雜Rb)表面的吸收光譜,如圖2。純的FAPbI3表面在ω =2~4 eV范圍內有較強的可見光吸收,當ω=3 eV時,吸收強度最大。FAPbI3中摻雜Rb后,吸收光譜與未摻雜結構類似,除了約在7eV處出現了一個較明顯的紫外吸收峰,說明Rb摻雜提高了此體系的紫外吸收能力。當H2O吸附在摻雜Rb的FAPbI3表面上時,可見光部分的光譜吸收明顯減弱,主要是由于H2O吸附在摻雜Rb的FAPbI3表面上時,使其表面結構發生了較大的重構變形。這個結果預示了水分子的吸附能夠減少FAPbI3設備上的PCE(四氯乙烯),這與之前其他的實驗和理論計算結果基本一致。

      圖2? 四個不同FAPbI3(001)面結構光譜分析


      4. 總結與展望

      本案例中,作者通過實驗結合第一性原理的方法,研究了Rb摻雜FAPbI3的結構、電子性質及光學性質。研究發現PbI2- terminated (001)面為最穩定結構;Rb在表層摻雜要比次表層更穩定。同時,作者還考慮了潮濕環境下摻雜和未摻雜Rb的體系的結構、能量及性質的對比,發現當H2O分子的吸附及Rb的摻雜都會影響FAPbI3的光譜吸收,因此,本案例的研究具有非常重要的科學意義,為日后進一步研究PCE在FAPbI3上潮濕環境中降解打下了堅實的基礎。


      參考文獻:

      YaoGuo, ChengboLi, Xianchang Li, YongshengNiu, Shaogang Hou, and Fang Wang. Effects of Rb Incorporation and Water Degradation on the Stability of the Cubic Formamidinium lead lodide Perovskite Surface: A First Principles Study.J.Phys.Chem.C2017, 121,12711-12717


      使用MedeA模塊:??

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