Ηλεκτρονιακές, οπτικές και δονητικές ιδιότητες αλογονούχων περοβσκιτικών υλικών για εφαρμογές σε φωτοβολταϊκά κελιά
Loading...
Date
2025-12-12
Authors
Λεβέντης, Πέτρος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Οι αλογονούχοι περοβσκίτες έχουν προσελκύσει ιδιαίτερο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον τα τελευταία σχεδόν 15 χρόνια, χάρη στις εξαιρετικές τους δυνατότητες στην απορρόφηση φωτός εντός διατάξεων φωτοβολταϊκών κελιών, αλλά και ως μια εναλλακτική απέναντι στο πυρίτιο, το οποίο έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς στις διατάξεις αυτές. Παρόλα αυτά, μια σημαντική συνιστώσα στην ηλεκτρονιακή δομή τους, ο μόλυβδος, το στοιχείο που έδωσε εξαρχής τόση δημοφιλία στα φωτοβολταϊκά κελιά περοβσκιτών (PSCs), απειλεί την περιβαλλοντική ισορροπία. Η τοξικότητά του έχει καταγραφεί ήδη, καιρό πριν έρθουν στο φως τα πρώτα PSCs. Με αφορμή τα παραπάνω, πολλές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί, τόσο μέσω της Θεωρίας Συναρτησοειδών της Πυκνότητας (DFT) όσο και με πειραματικές μεθόδους, με στόχο την εύρεση μιας «εναλλακτικής στην εναλλακτική» και την αντικατάσταση του μολύβδου από λιγότερο τοξικά μέταλλα στα φωτοβολταϊκά κελιά.
Στην προσπάθεια αυτή, ο κασσίτερος, μεταξύ άλλων μετάλλων, έχει κεντρίσει την προσοχή αρκετών επιστημόνων. Πολλές παραλλαγές αλογονούχων περοβσκιτών του κασσιτέρου έχουν μέχρι τώρα συντεθεί και μελετηθεί. Ο κασσίτερος, σε αντιδιαστολή με το μόλυβδο, δεν αποτελεί ιδιαίτερη απειλή για το περιβάλλον. Από την άλλη, εμφανίζει μεγάλες ομοιότητες με το μόλυβδο στη χημική του συμπεριφορά. Αυτές οι ομοιότητες πηγάζουν από τη μεγάλη ομοιότητα μεταξύ του μολύβδου και του κασσιτέρου ως προς την ηλεκτρονιακή τους δομή, καθώς ανήκουν και οι δύο στην ομάδα 14 του Περιοδικού Πίνακα.
Στην εργασία αυτή, εννέα αλογονούχοι περοβσκίτες του κασσιτέρου μελετήθηκαν μέσω της DFT, χρησιμοποιώντας τόσο ημι-τοπικά (PBE) όσο και υβριδικά (HSE06) συναρτησοειδή. Υπολογίστηκαν και ερμηνεύθηκαν: η δομή των ενεργειακών ζωνών (band-structure) και η πυκνότητα καταστάσεων (DOS) για κάθε υλικό. Οι υπολογισμοί για τη συνάρτηση έργου (work-function) μας επέτρεψαν να διερευνήσουμε κατά πόσο το ενεργειακό χάσμα του περοβσκίτη ευθυγραμμίζεται κατάλληλα με τα αντίστοιχα χάσματα των υλικών που βρίσκονται εκατέρωθεν αυτού, σε μια φωτοβολταϊκή διάταξη (band-alignment), διευκολύνοντας έτσι τη μεταφορά φορτίου και αυξάνοντας την απόδοση της διάταξης.
Όσον αφορά στο ρόλο της δομής των περοβσκιτών στις επιδόσεις των διατάξεων, υπολογίστηκαν οι τιμές του συντελεστή απορρόφησης Beer-Lambert μεταξύ του εγγύς υπερύθυρου και του εγγύς υπεριώδους φάσματος ακτινοβολίας, με την προσέγγιση PBE. Επίσης προσδιορίστηκαν θερμοδυναμικές ποσότητες, όπως η ειδική θερμοχωρητικότητα των εξεταζόμενων περοβσκιτών με τη χρήση συναρτησοειδών PBE, στα πλαίσια της αρμονικής προσέγγισης. Έγιναν συγκρίσεις μεταξύ των υλικών με στόχο τον εντοπισμό των παραγόντων που επηρεάζουν τις τιμές του ενεργειακού χάσματος, του συντελεστή Beer-Lambert και της θερμοχωρητικότητας.
Τέλος, για να πιστοποιήσουμε την ακρίβεια της μεθόδου ως προς την πρόβλεψη της γεωμετρίας θεμελιώδους καταστάσεως σύμφωνα με το επίπεδο θεωρίας GGA, προσομοιώθηκαν φάσματα απορρόφησης υπερύθρου για κάθε υλικό και αυτά συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα πειραματικά φάσματα της βιβλιογραφίας. Έτσι δημιουργήθηκε μια «βιβλιοθήκη» υπολογισμένων φασμάτων για υλικά που έχουν, αλλά και δεν έχουν ακόμη συντεθεί έως τώρα. Τα φωνόνια που εμφανίζουν τις μεγαλύτερες εντάσεις στο υπέρυθρο, ταυτοποιήθηκαν και χαρακτηρίστηκαν ως προς τη συμμετρία τους.
Description
Keywords
Θεωρία συναρτησοειδών πυκνότητας, Περοβσκίτες, Φωτοβολταϊκά συστήματα