Estudo teórico de perovskitas do tipo Cs3Sb2X9 (X=Cl, I) para aplicações fotovoltaicas utilizando a teoria do funcional da densidade (DFT)

Abstract

Energia é um recurso essencial para o desenvolvimento econômico e social, sendo fundamental para aumentar a qualidade de vida das pessoas. No entanto, seu consumo tem aumentado cada vez mais, fazendo com que o mundo volte os olhos para fontes de energias limpas e renováveis, como a energia fotovoltaica gerada a partir de células solares. Nos últimos anos, o desenvolvimento de células solares utilizando perovskitas tem se destacado devido suas propriedades elétricas e ópticas. As detentoras das melhores eficiências até então são do tipo metil-amônio de chumbo e halogênio (MAPbX3). No entanto, a alta toxicidade e natureza carcinogênica do Pb, somadas à presença do cátion orgânico (que prejudica a estabilidade do material em contato com oxigênio ou umidade) inviabilizam a implementação em larga escala dos dispositivos construídos com estes semicondutores. Em virtude disto, pesquisadores em todo o mundo têm buscado alternativas, sendo as mais promissoras aquelas que utilizam perovskitas totalmente inorgânicas e livres de chumbo como Cs3Sb2X9, por demonstrarem propriedades similares à MAPbX3 quando aplicadas em foto-catálise e células solares. O desempenho destas perovskitas depende fortemente do método de preparação, pois é possível obter diferentes polimorfos, além de se controlar suas propriedades ópticas e eletrônicas com processos de dopagem. Em virtude disto, neste trabalho objetivou-se o estudo do polimorfo hexagonal do Cs3Sb2I9 (P63/mmc) e ortorrômbico do Cs3Sb2Cl9 (Pmcn), uma vez que são obtidos facilmente em comparação aos seus respectivos polimorfos trigonais. A fim de compreender as modificações estruturais que levam à melhora das propriedades fotovoltaicas, foram realizadas simulações computacionais de vacâncias e dopagem com halogênio e diferentes metais nessas estruturas, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para extrair o comportamento da estrutura de bandas, além do estudo de energia de formação dos defeitos e obtenção do coeficiente de absorção para as dopagens com metais.

Energy is an essential resource for economic and social development, being fundamental in improving life quality for the people. However, the energy consumption has been constantly increasing, making the world search for clean and renewable energy sources, such as the photovoltaic energy generated from solar cells. Lately, the development of perovskites based solar cells has stood out due to their electronic and optical properties. The best efficiencies were achieved so far using methyl-ammonium lead and halogen (MAPbX3) perovskites, however, the high toxicity and carcinogenic nature of Pb, in addition to the organic cation (that impairs the stability of the material in contact with oxygen or moisture) impairs the large-scale implementation of the devices assembled with these semiconductors. Consequently, researchers around the world have been looking for alternatives, and the most promising are the fully inorganic and lead-free perovskites, such as Cs3Sb2X9 for demonstrating similar properties to MAPbX3 in photocatalysis and solar cells. The perovskites performance strongly depends on the preparation method because it is possible to obtain different polymorphs, besides controlling the optical and electronic properties through the doping process. Therefore, this work aims to study the Cs3Sb2I9 (P63/mmc) hexagonal polymorph and Cs3Sb2Cl9 (Pmcn) orthorhombic polymorph as they are easily obtained compared to their respective trigonal polymorphs. In order to understand the structural modifications that lead to the improvement of photovoltaic properties, computational simulations of vacancies and doping with halogen and different metals in these structures were carried out, using Density Functional Theory (DFT) to extract the behavior of the band structure, study the defect formation energies and obtain the absorption coefficient for the metal doped structures.