π共役配位子不動態化を用いた斜方晶CsSnIペロブスカイトの安定性向上

Enhancing the Stability of Orthorhombic CsSnI Perovskite Oriented π-Conjugated Ligand Passivation.

• Yapeng Zheng
• Zhi Fang
• Ming-Hui Shang
• Zhentao Du
• Zuobao Yang
• Kuo-Chih Chou
• Weiyou Yang
• Shihao Wei
• Xinmei Hou

抄録

無鉛斜方晶CsSnI(Bγ-CsSnI)ペロブスカイトは、優れた性能を持つ太陽電池材料の候補の一つとして浮上してきている。しかし、急速な再構成相転移やSnの酸化によって引き起こされる不安定性は、将来の応用を大きく制限している。そこで、第一原理計算に基づくBγ-CsSnIスラブモデルを用いてシミュレーションを行った結果、配向π共役配位子パッシベーションによるBγ-CsSnIの安定性向上が可能であることがわかった。相安定性はフェニルエチルアンモニウム(PEA)配位子の配向に強く依存することがわかった。414]に沿った配位子分子軸を持つ不動態化Bγ-CsSnIスラブは、最も低い吸着エネルギーで最も安定であることが実証された。この構成に基づいて計算された半単分子膜及び全単分子膜カバレッジの形成エネルギー( )は、黄色相(Y-)CsSnIをPEA配位子で不動態化した場合よりも負の値を示し、相の安定性が向上していることを確認した。さらに、表面状態が効果的に抑制され、ダウンシフトされた伝導帯最小値(CBM)は、完全にキャップされたBγ-CsSnIのバンドギャップを減少させることができた。さらに、完全被覆系のCBMと価電子帯最大値(VBM)は、それぞれスラブの表面成分と嵩高い成分によって提供されており、光発生キャリアの分離と移動に寄与する可能性があることがわかった。

Lead-free orthorhombic CsSnI (Bγ-CsSnI) perovskite has been emerging as one of the potential candidates of photovoltaic materials with superior performance. However, the instability induced by rapid reconstructive phase transition and the oxidation of Sn greatly limits their future application. We thus reported a strategy, oriented π-conjugated ligand passivation, for enhancing the stability of Bγ-CsSnI, simulated using a Bγ-CsSnI slab model based on the first-principles computation. The phase stability was found to be strongly dependent on the orientations of phenylethylammonium (PEA) ligands. The passivated Bγ-CsSnI slab with the ligand molecule axis along [414] was demonstrated as the most stable with the lowest adsorption energy (). Based on this configuration, the calculated formation energies () of half- and full-monolayer coverage were even more negative than that of yellow phase (Y-) CsSnI passivated by PEA ligands, verifying the enhanced phase stability. Furthermore, the surface states could be effectively suppressed and the downshifted conduction band minimum (CBM) resulted in a reduced band gap for the completely capped Bγ-CsSnI. Moreover, the CBM and the valence band maximum (VBM) of the system with complete coverage were respectively donated by the surface and bulky components of the slab, which might benefit the separation and transfer of photogenerated carriers.