Electronic properties of PbX3CH3NH3 (X = Cl, Br, I) compounds for photovoltaic and photocatalytic applications

文献情報

出版日 2014-11-26
DOI 10.1039/C4CP04666H
インパクトファクター 3.676
著者

Sigismund Teunis Alexander George Melissen, Frédéric Labat, Philippe Sautet, Tangui Le Bahers


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要旨

Since the discovery of their excellent performance as the light-absorbing semiconducting component in photovoltaic cells, the PbX3CH3NH3 (X = I, Br, Cl) perovskites have received renewed attention. The five polymorphs stable above 200 K – the tetragonal phases for X = I, Br, Cl and the cubic phases for X = I, Br – were studied using periodic DFT calculations involving hybrid functionals (PBE0 and HSE), employing Gaussian-type orbitals as well as plane waves and including relativistic effects (spin–orbit coupling). The influence of the halogen substitution and of the crystal phase on these properties is analysed by comparing the properties obtained in this study to the experimental ones and to the theoretical ones computed using other methods. We show that an accurate treatment of these systems requires the description of dispersion forces and spin–orbit coupling. The different time scales for the electronic and vibrational components of the polarizability inspire the hypothesis that several interfacial charge transfer mechanisms are encountered in the working principle of the photovoltaic devices involving these perovskite materials. The heavy elements in the structure (Pb, I) play a major role in the high polarizability and the low effective charge carrier masses and hence in the low exciton binding energies and the high charge mobility. This systematic work on the PbX3CH3NH3 family offers to theoreticians an overview of the landscape of quantum chemical methods to enable a reasonable choice of methodology for studying these systems.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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