Impact of Thin Film Thickness on the Structural, Energetic and Optoelectronic Properties of Two-Dimensional FPEA₂(MA_n-1)Pb_nI_3n+1 Perovskites

Autor(es)

Ribeiro, Israel C. ; Picoli, Felipe D. ; Moraes, Pedro Ivo R. ; Fonseca, Andre F. V. ; Oliveira, Luiz N. ; Nogueira, Ana Flavia ; Da Silva, Juarez L. F.

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: ACS APPLIED ENERGY MATERIALS; v. 8, n. 6, p. 14-pg., 2025-03-12.

Resumo

Perovskite solar cell devices, composed of solution-processed perovskite layers with thicknesses of a few hundred angstroms, represent a leading technology in thin-film photovoltaics. Here, we performed a theoretical investigation based on ab initio calculations to explore the role of perovskite thin film thickness, with the general formula FPEA(2)(MA(n-1))PbnI3n+1, where FPEA represents 4-fluorophenylethylammonium cations and n ranges from 1 to 4 layers. Our findings reveal that increasing the thickness of the inorganic layer significantly influences the structural, energetic, and optoelectronic properties. Enhanced charge transfer within the inorganic framework and stronger organic-inorganic interactions are observed as the effective charge distribution shifts with increasing thickness. Exothermic trends in adsorption and interaction energies highlight the stabilizing effects of van der Waals forces and hydrogen bonding. The PbI6-octahedra play a critical role in determining the optical activity and the formation of valence and conduction bands. Thicker films exhibit more intense absorption, emphasizing the importance of PbI6-octahedra in driving optical properties. Moreover, the work function (phi) decreases with increasing thickness due to reduced quantum confinement effects, while the nature of polar FPEA molecules induces deviations in phi, underscoring the interaction between molecular composition and thickness. Band alignment further reveals strong spin-orbit coupling effects on the conduction band minimum (CBM), influenced by charge-transfer variability from FPEA to halides. These findings provide insights into thickness-dependent properties that are essential for optimizing perovskite-based devices. (AU)

• Processo FAPESP: 22/09312-4 - Absorção de raios-X, fotoemissão e transporte dependentes do tempo
• Beneficiário: Felipe Donizete Picoli
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 18/21401-7 - EMU concedido no processo 2017/11631-2: cluster computacional de alto desempenho - ENIAC
• Beneficiário: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Equipamentos Multiusuários
• Processo FAPESP: 17/11631-2 - CINE: desenvolvimento computacional de materiais utilizando simulações atomísticas, meso-escala, multi-física e inteligência artificial para aplicações energéticas
• Beneficiário: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia
• Processo FAPESP: 23/10395-4 - Passivação com pontos quânticos em células solares de perovskita de alta estabilidade
• Beneficiário: André Felipe Vale da Fonseca
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 23/12824-0 - Triagem de Catalisadores para a Separação Eletroquímica da Água com Base em Técnicas Computacionais para o Design de Materiais
• Beneficiário: Pedro Ivo Rodrigues Moraes
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 24/05637-1 - DMRG pra cálculo de Funções Espectrais
• Beneficiário: Felipe Donizete Picoli
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado
• Processo FAPESP: 17/11986-5 - Geração e Armazenamento de Novas Energias: trazendo desenvolvimento tecnológico para o país
• Beneficiário: Ana Flávia Nogueira
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia