Estabilidade Termodinâmica e Percepção Estrutural de Ligas de Perovskitas Híbridas CH3NH3Pb1-xSixI3, CH3NH3Pb1-xGexI3 e CH3NH3Pb1-xSnxI3: Uma Abordagem Estatística de Cálculos de Primeiros Princípios

• Processo: 19/06866-6
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Publicações científicas - Artigo
• Data de Início da vigência: 01 de junho de 2019
• Data de Término da vigência: 30 de novembro de 2019
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Lara Kühl Teles
• Beneficiário: Lara Kühl Teles
• Instituição Sede: Divisão de Ciências Fundamentais (IEF). Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Ministério da Defesa (Brasil). São José dos Campos , SP, Brasil
• Assunto(s): Perovskita
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Estabilidade Termodinamica | misturas | Perovskitas | cálculos de estrutura eletrônica

Resumo

A recente obtenção de 20% de eficiência de conversão por células solares baseadas em perovskitas híbridas de metal (MHP), por exemplo, o CH3NH3PbI3 (MAPbI3) baseado em iodeto de metilamônio (MA), estimulou a comunidade científica dedicada aos materiais fotovoltaicos. No entanto, a toxicidade do Pb é um entrave comercial para a produção de MHP em larga escala visando uma sociedade ecologicamente sustentável, o que requer o uso de outro metal congênere ecologicamente correto. Neste estudo, empregamos cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade combinada com a aproximação quasiquímica generalizada para investigar as propriedades estruturais, termodinâmicas e de ordenamento das ligas MHP, tomando como candidatas os sitemas MAPb1-xSixI3, MAPb1-xGexI3 e MAPB1-xSnxI3 nas estruturas pseudo-cúbicas. Em 300K, a miscibilidade do Sn, Ge e Si no MAPbI3 segue uma tendência de Sn> Ge> Si, e uma faixa de temperaturas relativas a essas miscibilidades e estabilidades é determinada. Experimentos demonstram que os tamanhos atômicos relativos para os metais envolvidos desempenham um papel importante para as propriedades estruturais e termodinâmicas. Descobrimos que, incluindo um segundo metal menor, como Si e Ge, as propriedades estruturais são fortemente afetadas, em que a orientação livre do cátion orgânico, mesmo em altas temperaturas, pode ser limitada através da redução de volume de seu local no espaço da cavidade. Nossos cálculos de diagrama de fase revelam temperaturas críticas correlacionadas com a diferença de tamanho atômico para o Pb e o segundo metal envolvidos. Fases instáveis e metaestáveis são observadas em uma grande variedade de composições em temperatura ambiente para MAPb1-xSixI3, enquanto MAPb1-xGexI3 é energeticamente favorável para composições ricas em Pb em uma configuração ordenada. Por outro lado, a alta miscibilidade de Pb e Sn em MAPb1-xSnxI3 produz uma liga energeticamente favorável como uma liga aleatória pseudo-cúbica, revelando uma faixa de temperaturas nas quais as propriedades da liga podem ser ajustadas em função da composição. (AU)