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First-principles study of lead-free Ge-based 2D Ruddlesden–Popper hybrid perovskites for solar cell applications

钙钛矿(结构) 带隙 材料科学 卤化物 半导体 太阳能电池 直接和间接带隙 光伏系统 光电子学 结晶学 无机化学 化学 生态学 生物
作者
Maryam Babaei,Vahid Ahmadi,Ghafar Darvish
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:24 (35): 21052-21060 被引量:4
标识
DOI:10.1039/d2cp00638c
摘要

Recently, 2D halide perovskites have attracted attention because they are excellent photo absorbing materials for perovskite solar cells. To date, the majority of 2D perovskite-based devices have been made of Pb, a material with toxic properties and environmental concerns. Thus, lead-free alternatives are essential to enable the expansion of photovoltaic systems based on perovskites. Herein, we examine the structural, electronic, optical and stability properties of Pb-free 2D Ruddlesden-Popper (RP) perovskites (BA)2(MA)n-1GenI3n+1 (BA = CH3(CH2)3NH3+; MA = CH3NH3+; n = 1-5, and ∝) by using DFT calculations and comparing the results to their Pb-based counterparts (BA)2(MA)n-1PbnI3n+1 (n = 1-5, and ∝). Theoretical analysis indicates that Pb and Ge-based 2D perovskites are significantly more thermodynamically stable than their corresponding 3D materials. A more accurate bandgap is achieved using the HSE06 + SOC scheme and compared to the findings of the PBE and PBE + SOC. These materials are direct bandgap semiconductors. Due to spin-orbit coupling, Pb-based perovskite displays higher Rashba energy splitting than Ge-based ones. The bandgap changes from 2.37 eV (n = 1) to 1.79 eV (n = 5), and from 1.92 eV (n = 1) to 1.56 eV (n = 5) for Pb and Ge-based perovskites, respectively. The bandgap of all Ge-based perovskites is lower than their corresponding Pb-based ones. We show that the 2D perovskites could serve as hole-transporting materials when they are alongside 3D perovskites. The trade-off between thermodynamic stability and absorption coefficient of the considered compounds indicates that 2D RP perovskites BA2MA4Ge5I16 are promising Pb-free halide semiconductors for solar cell applications.
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