无机卤化铅钙钛矿中的本征掺杂限制
材料科学
2021-10-22 v1
摘要
CsPbX3（X=I, Br, Cl）型无机卤化物钙钛矿（HP）在光伏太阳能电池效率方面已崭露头角。然而奇怪的是，它们在被空穴而非电子掺杂的能力上表现出不对称性。实际上，结构缺陷诱导的掺杂以及外源杂质诱导的掺杂都异常地导致单极掺杂（主要为 p 型）且自由载流子浓度低。这引发了一个问题：这种掺杂限制究竟是掺杂工艺优化不足带来的暂时挫折，还是代表了本征的、物理上必然的瓶颈。本文研究了理想掺杂的三个基本设计原则（DP），通过密度泛函掺杂理论将其应用于这些 HP，从而识别出被违背的 DP，它解释了这些 HP 中的掺杂限制与不对称性。此处目标 DP 为：(i) 要求掺杂剂诱导的热力学跃迁能级对于施主（n 型）或受主（p 型）理想情况下都应在能量上较浅；DP-(ii) 要求电子与空穴的“费米能级钉扎能”（即在补偿掺杂的结构缺陷自发形成之前费米级的极限值）理想情况下应位于 n 型掺杂的导带内与 p 型掺杂的价带内。DP-(iii) 要求掺杂诱导的平衡费米能向 n 型掺杂的导带（向 p 型掺杂的价带）移动量足够大。我们发现，尽管在基于 Br 和 Cl 的 HP 中存在众多满足 DP-(i) 的浅能级掺杂剂，但相反地 DP-(ii) 仅对空穴满足，而 DP-(iii) 对空穴和电子均不满足，这是碘 HP 中 n 型掺杂的根本瓶颈。
引用
@article{arxiv.2110.11186,
title = {Intrinsic doping limitations in inorganic lead halide perovskites},
author = {Fernando P. Sabino and Alex Zunger and Gustavo M. Dalpian},
journal= {arXiv preprint arXiv:2110.11186},
year = {2021}
}