بخشی از مقاله
چکیده
خواص الکترونیکی و اپتیکی پروسکایت GAXI3 در سه نوع ترکیب و فاز سه میلی - Triclinic - در چارچوب نظریه تابعی چگالی - DFT - و با استفاده از تقریب - GGA - بررسی شده است. ساختار باند و چگالی حالتها و ثابتهای اپتیکی مورد محاسبه و بررسی قرار گرفته است.نتایج بدست آمده نشان می دهد که از لحاظ الکترونیکی و اپتیکی ترکیب GASnI3 گاف انرژی مناسب و ضریب جذب بهتری را در ناحیه نور مرئی نسبت به دو ترکیب دیگر دارا است.
مقدمه
سلول خورشیدی دارای سه نسل میباشد که سلول خورشیدی پروسکایتی نسل سوم سلول های خورشیدی را شامل میشود. همچنین این نسل از سلول های خورشیدی به دلیل فرآیند ساخت آسان و قیمت پایین و انعطاف پذیر بودن با سرعت بالایی در صنعت انرژی خورشیدی در حال رشد است .[1] خصوصیات پتیکی بسیار خوب از جمله ضریب شکست بالا و گاف انرژی مناسب باعث شده تا این ترکیبات برای کاربردهای جذب نور در زمینه فتوولتائیک بسیار مناسب باشند .[2] این سلول ها در سال 2009 با بازده 3,8 درصدی مطرح شدند [3] و روز به روز به بازده آنها افزوده شد و آخرین بازده گزارش شده 22,1 درصد می باشد .[4] ساختار پروسکایت ها با فرمول شیمیایی ABX3، که در آن AوB کاتیون ها و X=Cl, Br ,F,I می باشند.
این مواد هم رساننده ی الکترون و هم رساننده ی حفره هستند [7] . ویژگی اپتیکی قابل تنظیم توسط تغییر ساختار پروسکایت مورد استفاده، تحرک پذیری حامل های بار و پایداری مناسب از دیگر ویژگی های پروسکایتهاست . [8] در این مقاله ساختاری با گاف انرژی مناسب را انتخاب کرده و خواص اپتیکی و الکترونیکی آن را مورد بحث قرار دادهایم. ساختار پروسکایتی مورد بحث - X=Ge, pb, Sn - GAXI3 و [C - NH2 - 3]+ GAگوآندینیوم - Guandinium - می باشد - شکل - 1
روش محاسبات
محاسبات با استفاده از نرم افزار [9] SESTA درچهارچوب نظریه تابعی چگالی انجام شده است. برای تابع تبادلی همبستگی از تقریبGGA-PB استفاده شده است. با در نظر گرفتن مش فضای - k - 8*8*8 و تقریب شیب پایه های در نظر گرفته شده برای بسط توابع موج double-zeta-polarized در نظر گرفته شده است. برای بررسی خواص الکترونیکی و اپتیکی ابتدا ساختار ها مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت ترکیباتی که گاف نواری و انرژی کل کمتری را دارا بودن، در نظر گرفته شد. در بخش مهم محاسبات خواص اپتیکی ، ابتدا تابع دی الکتریک مورد محاسبه قرار گرفته شده و سپس با استفاد از قسمت حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک، ثابت های اپتیکی، ضریب شکست، ضریب خاموشی، ضریب جذب به ترتیب طبق معادلات - 1 - تا - 3 - محاسبه شده اند.
سه ترکیب ساختار باند مشابهی را دارا می باشند و فقط تفاوتی بین گاف انرژی آنها وجود دارد. مشابه شکل2، برای هر سه ترکیب یک گاف انرژی مستقیم در راستای R و به اندازه ی Eg=1.6782eV، Eg=0.9436eV، Eg=1.613eV به ترتیب برای GAGeI3، GASnI3، GAPbI3، محاسبه شده است. ممکن است اختلافی بین مقدار گاف انرژی این ترکیب ها در روش های تجربی و محاسباتی وجود داشته باشد. برای از بین بردن این اختلاف بین گاف می توان از محاسبات دقیق تر ، که خارج از حوزه این مقاله است، استفاده کرد.
خواص الکترونیکی
چگالی حالتها برای ترکیبات در شکل3، داده شده است. با توجه به شکل می توان دریافت که مقدار گاف برای ترکیب GASnI3 نسبت به دو ترکیب کمتر بوده و در حدود 1.05eV است. برای بررسی و انجام آزمایشات و محاسبات بهتر است از ترکیبی استفاده کنیم که مقدار گاف نواری کمتری نسبت به سایرین داشته باشد، از این رو بعد از محاسبه چگالی حالت ها می توان نتیجه گرفت که بین این سه ترکیب، ترکیب گوآندینیوم با Sn می تواند از جهت GASnI3 در انرژی های کمتر از 2.5eV از سایر ترکیب ها داشتن گاف نواری کمتر نسبت به بقیه، مناسب باشد. بیشتر بوده است.
خواص اپتیکی
بر اساس شکل های 6،5،4، در هر سه ترکیب با افزایش انرژی ضریب جذب افزایش می یابد. جذب ناچیزی در انرژی کمتر از انرژی گاف دیده می شود که قابل چشم پوشی است. در هر سه راستا می توان گفت که ماکزیمم ضریب جذب به ترتیب در انرژی حدود 4.5eV، 4eV، 3.5eV برای GAGeI3، GASnI3، GAPbI3، می باشد.در هر سه راستا در انرژی های بیشتر از 3.5eV که ناحیه ماوراءبنفش - Ultra Violet - از طیف نور خورشید می باشد ترکیب GAPbI3 ضریب جذب کمتری از دو ترکیب دیگر دارد، اما در انرژی های های کمتر از آن که طیف مرئی را شامل می شود تقریبا می توان گفت ضریب جذب GASnI3 بهتر است.
همچنین برای ضریب شکست، با توجه به نتایج به دست آمده در هر سه راستا تقریبا ضریب شکست ترکیب ماکزیمم ضریب شکست در ترکیب GASnI3 در انرژی حدود 2eV واقع شده است. ضریب شکست ترکیب GASnI3 در انرژی صفر در هر سه راستا تقریبا برابر 2,1 می باشد و کمی متفاوت از دو ترکیب دیگر است که مقدار نزدیک 1,9 را دارند. دلیل پایین بودن ضریب شکست در ترکیبات پروسکایت پایین بودن ظرفیت شیمیایی اتم هالید است.
