Machine Learning-Aided Band Gap Engineering of BaZrS3 Chalcogenide Perovskite

材料科学 带隙 掺杂剂 兴奋剂 钙钛矿(结构) 硫系化合物 光电子学 光致发光 太阳能电池 光伏系统 直接和间接带隙 结晶学 电气工程 工程类 化学
作者
Shyam Sharma,Zachary D. Ward,Kevin Bhimani,Mukul Sharma,Joshua Quinton,Trevor David Rhone,Su‐Fei Shi,Humberto Terrones,Nikhil Koratkar
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (15): 18962-18972 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acsami.3c00618
摘要

The non-toxic and stable chalcogenide perovskite BaZrS3 fulfills many key optoelectronic properties for a high-efficiency photovoltaic material. It has been shown to possess a direct band gap with a large absorption coefficient and good carrier mobility values. With a reported band gap of 1.7–1.8 eV, BaZrS3 is a good candidate for tandem solar cell materials; however, its band gap is significantly larger than the optimal value for a high-efficiency single-junction solar cell (∼1.3 eV, Shockley–Queisser limit)─thus doping is required to lower the band gap. By combining first-principles calculations and machine learning algorithms, we are able to identify and predict the best dopants for the BaZrS3 perovskites for potential future photovoltaic devices with a band gap within the Shockley–Queisser limit. It is found that the Ca dopant at the Ba site or Ti dopant at the Zr site is the best candidate dopant. Based on this information, we report for the first time partial doping at the Ba site in BaZrS3 with Ca (i.e., Ba1–xCaxZrS3) and compare its photoluminescence with Ti-doped perovskites [i.e., Ba(Zr1–xTix)S3]. Synthesized (Ba,Ca)ZrS3 perovskites show a reduction in the band gap from ∼1.75 to ∼1.26 eV with <2 atom % Ca doping. Our results indicate that for the purpose of band gap tuning for photovoltaic applications, Ca-doping at the Ba-site is superior to Ti-doping at the Zr-site reported previously.

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