A new perspective for evaluating the photoelectric performance of organic–inorganic hybrid perovskites based on the DFT calculations of excited states

文献情報

出版日 2021-04-28
DOI 10.1039/D1CP01000J
インパクトファクター 3.676
著者

Zhengyang Gao, Shengyi Chen, Yang Bai, Min Wang, Weijie Yang, Wei Li, Xunlei Ding


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要旨

The high efficiency of organic–inorganic hybrid perovskites has attracted the attention of many scholars all over the world, the chemical formula of which is ABX3, where A is an organic cation, B is a metal cation, and X is a halogen ion. In addition, the micro-mechanism behind the efficient photoelectric conversion needs more in-depth exploration. Therefore, in this work, based on time-dependent density functional theory (TD-DFT), the electron transfer mechanism from the ground state to the first singlet excited state was systematically investigated by electron and hole analysis and an inter-fragment charge transfer amount method (IFCT). In this work, we optimized and analyzed 99 different perovskite cluster configurations, where A sites are CH3NH3+ (MA+), NH2CHNH2+ (FA+), CH3CH2NH3+ (EA+), NH2CHOH+ (JA+), NH3OH+ (BA+), N(CH3)4+ (DA+), CH3CH2CH2NH3+ (KB+), CH3CH2CH2CH2NH3+ (KC+), C3N2H5+ (RA+), CH(CH3)2+ (TA+), and CH3NH(CH3)2+ (UA+), B sites are Ge2+, Sn2+ and Pb2+, and X sites are Cl−, Br− and I−. According to the analysis of a series of perovskite clusters of the hole–electron distribution, the distribution is mainly concentrated on BX, and electrons and holes are respectively distributed on B and X sites. The exciton binding energy decreases when the metal element changes from Ge to Pb and the halogen element changes from Cl to I. A radar chart including the exciton binding energy, excited energy, amount of net charge transfer, electron and hole overlap index, distance between the centroid of holes and electrons, and the hole and electron separation index was proposed to intuitively describe the electron transmission characteristics of perovskites. Based on that, a comprehensive score index was innovatively proposed to evaluate the photoelectric property of perovskites, providing foundational guidance for the design of high-efficiency organic–inorganic hybrid perovskites.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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