Functionality-Directed Screening of Pb-Free Hybrid Organic–Inorganic Perovskites with Desired Intrinsic Photovoltaic Functionalities

光伏系统 材料科学 带隙 纳米技术 混合材料 化学稳定性 化学 光电子学 有机化学 电气工程 工程类
作者
Dongwen Yang,Jian Lv,Xingang Zhao,Qiaoling Xu,Yuhao Fu,Yiqiang Zhan,Alex Zunger,Lijun Zhang
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:29 (2): 524-538 被引量:145
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.6b03221
摘要

The material class of hybrid organic–inorganic perovskites has risen rapidly from a virtually unknown material in photovoltaic applications a short 7 years ago into an ∼20% efficient thin-film solar cell material. As promising as this class of materials is, however, there are limitations associated with its poor long-term stability, nonoptimal band gap, presence of environmentally toxic Pb element, etc. We herein apply a functionality-directed theoretical materials selection approach as a filter for initial screening of the compounds that satisfy the desired intrinsic photovoltaic functionalities and might overcome the above limitations. First-principles calculations are employed to systemically study thermodynamic stability and photovoltaic-related properties of hundreds of candidate hybrid perovskites. We have identified in this materials selection process 14 Ge- and Sn-based materials with potential superior bulk-material-intrinsic photovoltaic performance. A distinct class of compounds containing NH3COH+ with the organic molecule derived states intriguingly emerging at band-edges is found. Comparison of various candidate materials offers insights on how composition variation and microscopic structural changes affect key photovoltaic relevant properties in this family of materials.

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