Structural, Thermodynamical and Electronic Properties of All-Inorganic Lead Halide Perovskites

Yawen Li Guangren Na Shulin Luo Xin He Lijun Zhang

Citation:  Li Yawen, Na Guangren, Luo Shulin, He Xin, Zhang Lijun. Structural, Thermodynamical and Electronic Properties of All-Inorganic Lead Halide Perovskites[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(4): 200701. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007015 shu

全无机卤化铅钙钛矿的结构、热力学稳定性和电子性质

    通讯作者: 贺欣, xin_he@jlu.edu.cn
    张立军, lijun_zhang@jlu.edu.cn
  • 基金项目:

    博士后创新人才计划 BX20190143

    吉林省科技发展计划 20190201016JC

    博士后创新人才计划(BX20190143)和吉林省科技发展计划(20190201016JC)资助项目

摘要: 有机-无机杂化卤化铅钙钛矿因具有独特的电子和光学特性,已经成为光电领域最有前途的材料。但是,有机-无机钙钛矿材料及器件稳定性差,限制了其实际应用。与杂化钙钛矿相比,全无机卤化物钙钛矿CsPbX3 (X = Cl,Br,I)显示出更强的热稳定性。全无机卤化物钙钛矿CsPbX3具有多个晶型,在不同的温度下呈不同相结构。目前,关于CsPbX3的结构和物理性质仍存在争议。本文我们针对三个晶相α-,β-和γ-CsPbX3的结构,热力学稳定性和电子性质进行了全面的理论研究。第一性原理计算表明,从高温α相到低温β相,然后再到γ相的相变伴随着PbX6八面体的畸变。零温形成能计算表明,γ相最稳定,这与实验中γ相为低温稳定相的结论一致。电子性质计算表明,所有CsPbX3钙钛矿都表现出直接带隙性质,并且带隙值从α相到β相再到γ相逐渐增加。这是由于相变发生时,Pb-X成键强度逐渐减弱,使价带顶能量降低,进而带隙增加。在所有相中,α相结构中较强的Pb-X相互作用,导致了较强的带边色散,使其具有较小的载流子有效质量。

English

    1. [1]

      Kojima, A.; Teshima, K.; Shirai, Y.; Miyasaka, T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050. doi: 10.1021/ja809598r

    2. [2]

      Powalla, M.; Paetel, S.; Ahlswede, E.; Wuerz, R.; Wessendorf, C. D.; Friedlmeier, T. M. Appl. Phys. Rev. 2018, 5, 041602. doi: 10.1063/1.5061809

    3. [3]

      Jost, M.; Bertram, T.; Koushik, D.; Marquez, J. A.; Verheijen, M. A.; Heinemann, M. D.; Köhnen, E.; Al-Ashouri, A.; Braunger, S.; Lang, F.; et al. ACS Energy Lett. 2019, 4, 583. doi: 10.1021/acsenergylett.9b00135

    4. [4]

      Yang, W. S.; Park B. W.; Jung, E. H.; Jeon, N. J.; Kim, Y. C.; Lee, D. U.; Shin, S. S.; Seo, J.; Kim, E. K.; Noh, J. H.; Seok, S. Science 2017, 356, 1376. doi: 10.1126/science.aan2301

    5. [5]

      Huang, P.; Chen, Q.; Zhang, K.; Yuan, L.; Zhou, Y.; Song, B.; Li, Y. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 6213. doi: 10.1039/C8TA11841H

    6. [6]

      Yang, B.; Mahjouri-Samani, M.; Rouleau, C. M.; Geohegan, D. B.; Xiao, K. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 27067. doi: 10.1039/C6CP02896A

    7. [7]

      Chen, X.; Tang, L. J.; Yang, S.; Hou, Y.; Yang, H. G. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 6521. doi: 10.1039/C6TA00893C

    8. [8]

      Schulze, P. S. C.; Bett, A. J.; Winkler, K.; Hinsch, A.; Lee, S.; Mastroianni, S.; Mundt, L. E.; Mundus, M.; Würfel, U.; Glunz, S. W.; Hermle, M.; Goldschmidt, J. C. Interfaces 2017, 9, 30567. doi: 10.1021/acsami.7b05718

    9. [9]

      Azmi, R.; Hwang, S.; Yin, W.; Kim, T. W.; Ahn, T. K.; Jang, S. Y. ACS Energy Lett. 2018, 3, 1241. doi: 10.1021/acsenergylett.8b00493

    10. [10]

      Tan, H.; Jain, A.; Voznyy, O.; Lan, X.; García de Arquer, F. P.; Fan, J. Z.; Quintero-Bermudez, R.; Yuan, M.; Zhang, B.; Zhao, Y. Science 2017, 355, 722. doi: 10.1126/science.aai9081

    11. [11]

      赵电龙, 李天姝, 徐巧玲, 王雪婷, 张立军.中国光学, 2019, 12, 964. doi: 10.3788/CO.20191205.0964Zhao, D.; Li, T.; Xu, Q.; Wang, X.; Zhang, L. Chinese Optics 2019, 12, 964. doi: 10.3788/CO.20191205.0964

    12. [12]

      Meng, L.; You, J.; Guo, T. F.; Yang, Y. Acc. Chem. Res. 2016, 49, 155. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00404

    13. [13]

      https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20200406.pdf (accessed Apr 4, 2020).

    14. [14]

      Wang, P.; Zhang P.; Zhou, Y.; Jiang, Q.; Ye Q.; Chu, Z.; Li X.; Yang, X.; Yin, Z.; You, J. Nat. Commun. 2018, 9, 1. doi: 10.1038/s41467-018-04636-4

    15. [15]

      王雪婷, 付钰豪, 那广仁, 李红东, 张立军.物理学报, 2019, 68, 27. doi: 10.7498/aps.68.20190596Wang, X.; Fu, Y.; Na, G.; Li, H.; Zhang, L. Acta Phys. Sin. 2019, 68, 27. doi: 10.7498/aps.68.20190596

    16. [16]

      Yang, Y.; You, J. Nature 2017, 544, 155. doi: 10.1038/544155a.

    17. [17]

      Liu, Z.; Na, G.; Tian, F.; Yu, L.; Li, J.; Zhang, L. InfoMat. 2020, 27, 1. doi: 10.1002/inf2.12099

    18. [18]

      Wang, X.; Li, Y.; Pang, Y. X.; Sun, Y.; Zhao, X. G.; Wang, J. R.; Zhang, L. Sci. China Phys. Mech. Astron. 2018, 61, 107311. doi: 10.1007/s11433-018-9207-9

    19. [19]

      Wang, Z.; Zhao, D.; Yu, S.; Nie, Z.; Li, Y.; Zhang, L. Prog. Nat. Sci-Mater. 2019, 29, 316. doi: 10.1016/j.pnsc.2019.03.015

    20. [20]

      丁绪坤, 李效民, 高相东, 张树德, 黄宇迪, 李浩然.物理化学学报, 2015, 31, 576. doi: 10.3866/PKU.WHXB201501201Ding, X.; Li, X.; Gao, X.; Zhang, S.; Huang, Y.; Li, H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31, 576. doi: 10.3866/PKU.WHXB201501201

    21. [21]

      高素雯, 兰章, 吴晚霞, 阙兰芳, 吴季怀, 林建明, 黄妙良.物理化学学报, 2014, 30, 446. doi: 10.3866/PKU.WHXB201401022Gao, S.; Lan, Z.; Wu, X.; Kan, L.; Wu, J.; Lin, J.; Huang, M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 446. doi: 10.3866/PKU.WHXB201401022

    22. [22]

      卫会云, 王国帅, 吴会觉, 罗艳红, 李冬梅, 孟庆波.物理化学学报, 2016, 32, 201. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512031Wei, H.; Wang, S.; Wu, H.; Hong, Y.; Li, D.; Meng, Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 201. doi: 10.3866/PKU.WHXB201512031

    23. [23]

      Xu, Q.; Stroppa, A.; Lv, J.; Zhao, X.; Yang, D.; Biswas, K.; Zhang, L. Phys. Rev. Mater. 2019, 3, 125401. doi: 10.1103/PhysRevMaterials.3.125401

    24. [24]

      Wang, Y.; Dar, M. I.; Ono, L. K.; Zhang, T.; Kan, M.; Li, Y.; Zhang, L.; Wang, X.; Yang, Y.; Gao, X.; et al. Science 2019, 365, 591. doi: 10.1126/science.aav8680

    25. [25]

      Wang, H.; Bian, H.; Jin, Z.; Zhang, H.; Liang, L.; Wen, J.; Wang, Q.; Ding, L.; Liu, S. F. Chem. Mater. 2019, 31, 6231. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b02248

    26. [26]

      Jia, X.; Zuo, C.; Tao, S.; Sun, K.; Zhao, Y.; Yang, S.; Cheng, M.; Wang, M.; Yuan, Y.; Yang, J.; et al. Sci. Bull. 2019, 64, 1532. doi: 10.1016/j.scib.2019.08.017

    27. [27]

      Zhang, T.; Wang, Y.; Wang, X.; Wu, M.; Liu, W.; Zhao, Y. Sci. Bull. 2019, 64, 1773. doi: 10.1016/j.scib.2019.09.022

    28. [28]

      Shi, J.; Wang, Y.; Zhao, Y. Energy Environ. Mater. 2019, 2, 73. doi: 10.1002/eem2.12039

    29. [29]

      Eperon, G. E.; Paternò, G. M.; Sutton, R. J.; Zampetti, A.; Haghighirad, A. A.; Cacialli, F.; Snaith, H. J. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 19688. doi: 10.1039/C5TA06398A

    30. [30]

      Kulbak, M.; Cahen, D.; Hodes, G. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2452. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00968

    31. [31]

      Wang, Y.; Zhang, T.; Kan, M.; Zhao, Y. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12345. doi: 10.1021/jacs.8b07927

    32. [32]

      Wang, D.; Wright, M.; Elumalai, N. K.; Uddin, A. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2016, 147, 255. doi: 10.1016/j.solmat.2015.12.025

    33. [33]

      Lim, A. R.; Jeong, S. Y. Phys. B: Condensed Matter 1998, 245, 277. doi: 10.1016/S0921-4526(97)00883-1

    34. [34]

      Haeger, T.; Ketterer, M.; Bahr, J.; Pourdavoud, N.; Runkel, M.; Heiderhoff, R.; Riedl, T. J. Phys. Mater. 2020, 3, 024004. doi: 10.1088/2515-7639/ab749d

    35. [35]

      Hirotsu, S.; Harada, J.; Iizumi, M.; Gesi, K. J. Phys. Soc. Jpn. 1974, 37, 1393. doi: 10.1143/JPSJ.37.1393

    36. [36]

      Stoumpos, C. C.; Malliakas, C. D.; Peters, J. A.; Liu, Z.; Sebastian, M.; Im, J.; Chasapis, T. C.; Wibowo, A. C.; Chung, D. Y.; Freeman, A. J. Cryst. Growth & Des. 2013, 13, 2722. doi: 10.1021/cg400645t

    37. [37]

      Marronnier, A.; Roma, G.; Boyer-Richard, S.; Pedesseau, L.; Jancu, J. M.; Bonnassieux, Y.; Katan, C.; Stoumpos, C. C.; Kanatzidis, M. G.; Even, J. ACS Nano 2018, 12, 3477. doi: 10.1021/acsnano.8b00267

    38. [38]

      Zhang, L., Wang, L., Wang, K., Zou, B. J. Phys. Chem. C 2018, 122, 15220. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b05397

    39. [39]

      Wang, Y., Zhang, Y., Zhang, P., Zhang, W. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 11516. doi: 10.1039/c5cp00448a

    40. [40]

      Liu, Z.; Peters, J. A.; Stoumpos, C. C.; Sebastian, M.; Wessels, B. W.; Im, J.; Freeman, A. J.; Kanatzidis, M. G. Heavy Metal Ternary Halides for Room-Temperature X-ray and Gamma-ray Detection. Proceedings SPIE 8852, Hard X-Ray, Gamma-Ray, and Neutron Detector Physics XV, California, United States, September 26, 2013. SPIE press: Unite states, 2013.

    41. [41]

      Sutton, R. J.; Filip, M. R.; Haghighirad, A. A.; Sakai, N.; Wenger, B.; Giustino, F.; Snaith, H. J. ACS Energy Lett. 2018, 3, 1787. doi: 10.1021/acsenergylett.8b00672

    42. [42]

      Zhang, T.; Dar, M. I.; Li, G.; Xu, F.; Guo, N.; Grätzel, M.; Zhao, Y. Sci. Adv. 2017, 3, e1700841. doi: 10.1126/sciadv.1700841

    43. [43]

      Kresse, G.; Furthmüller, J. Comp. Mater. Sci. 1996, 6, 15. doi: 10.1016/0927-0256(96)00008-0

    44. [44]

      Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59, 1758. doi: 10.1103/PhysRevB.59.1758

    45. [45]

      Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865

    46. [46]

      Perdew, J. P.; Zunger, A. Phys. Rev. B 1981, 23, 50g. doi: 10.1103/PhysRevB.23.5048

    47. [47]

      Hrirotsu, S. J. Phys. Soc. Jpn. 1971, 31, 552. doi: 10.1143/JPSJ.31.552

    48. [48]

      Møller, C. K. Nature 1958, 182, 1436. doi: 10.1038/1821436a0.

    49. [49]

      Sharma, S.; Weiden, N.; Weiss, A. Z. Phys. Chem. 1992, 175, 63. doi: 10.1524/zpch.1992.175.Part_1.063

    50. [50]

      Paul, T.; Chatterjee, B. K.; Maiti, S.; Sarkar, S.; Besra, N.; Das, B. K.; Panigrahi, K. J.; Thakur, S.; Ghorai, U. K.; Chattopadhyay, K. K. J. Mater. Chem. C 2018, 6, 3322. doi: 10.1039/C7TC05703B

    51. [51]

      Cottingham, P.; Brutchey, R. L. Chem. Mater. 2018, 30, 6711. doi: 10.1023/A:1022836800820

    52. [52]

      Gesi, K.; Ozawa, K.; Hirotsu, S. J. Phys. Soc. Jpn. 1975, 38, 463. doi: 10.1143/JPSJ.38.463

    53. [53]

      Pandey, N.; Kumar, A.; Chakrabarti, S. RSC Adv. 2019, 9, 29556. doi: 10.1039/C9RA05685H

    54. [54]

      Zhang, L.; Hu, T.; Li, J.; Zhang, L.; Li, H.; Lu, Z.; Wang, G. Front. Mater. 2020, 6. 1. doi: 10.3389/fmats.2019.00330

    55. [55]

      Saidi, W. A.; Choi, J. J. J. Chem. Phys. 2016, 145, 144702. doi: 10.1063/1.4964094

    56. [56]

      Yin, W.; Yang, J.; Kang, J.; Yan, Y.; Wei, S. J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 8926. doi: 0.1039/C4TA05033A

    57. [57]

      Long, M. Q.; Tang, L.; Wang, D.; Wang, L.; Shuai, Z. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17728. doi: 10.1021/ja907528a

    58. [58]

      Xie, J.; Zhang, Z. Y.; Yang, D. Z.; Xue, D. S.; Si, M. S. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 4073. doi: 10.1021/jz502006z

    59. [59]

      Fang, Z.; Shang, M.; Hou, X.; Zheng, Y.; Du, Z.; Yang, Z.; Chou, K. C.; Yang, W.; Wang, Z. L.; Yang, Y. ano Energy 2019, 61, 389. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.084

    60. [60]

      Giorgi, G.; Fujisawa, J. I.; Segawa, H.; Yamashita, K. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 4213. doi: 10.1021/jz4023865

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  5
  • 文章访问数:  465
  • HTML全文浏览量:  79
文章相关
  • 发布日期:  2021-04-15
  • 收稿日期:  2020-07-06
  • 接受日期:  2020-08-11
  • 修回日期:  2020-08-10
  • 网络出版日期:  2020-08-17
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章