Contribution to the study of the physical properties of some double perovskite crystals via first principles methods
Loading...
Date
2024-10-10
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of M'Sila
Abstract
Currently, there is significant interest in finding efficient materials with favorable optoelectronic and thermoelectric properties for power generation.
This study employs first-principles computations to investigate the structural, thermodynamic, optoelectronic, and thermoelectric characteristics of potassium tin halide vacancy-ordered double perovskites K2SnX6 (X = Cl, Br, I). Using the density functional theory (DFT) method and Boltzmann transport theory, we conduct a thorough analysis. We utilize the Perdew-Burke-Ernzerhof functional for bulk solids and their surface for generalized gradient approximation (PBESol- GGA) with and without the mBJ correction, employing a LAPW base-set.
Our electronic analysis indicates that the electronic band structures depicts direct band gaps for K2SnCl6 and K2SnBr6, while K2SnI6 exhibits an indirect band gap., with band gaps ranging from 1.70 eV to 4.126 eV (utilizing PBESol-mBJGGA), suggesting their potential for solar cells and optoelectronic applications.
Analysis of dielectric functions, absorption coefficients, and refractive indices calculations of the investigated compounds show excellent agreement with theoretical band gaps, validating their precise prediction. K2SnI6 demonstrates superior light absorption in the visible range compared to K2SnCl6, owing to its narrower band gap, rendering it suitable for solar cells. Refractive index analysis further confirms their applicability for solar applications.
Thermoelectric properties, including electronic and lattice thermal conductivities, Seebeck coefficients, and power factors, are evaluated. The studied compounds exhibit p-type conductivity, and their power factor values indicate promise as efficient thermoelectric materials. At 500 K, maximum ZT values of 0.58, 0.69, and 0.65 are achieved for K2SnCl6, K2SnBr6, and K2SnI6, respectively.
These results underscore the promise of these materials for use in solar cells and thermoelectric devices, particularly noting their efficacy even under high-temperature conditions.
Description
في الوقت الحالي، هناك اهتمام كبير بالبحث عن مواد فعالة ذات خصائص بصرية-إلكترونية وحرارية مواتية لتوليد الطاقة.
أثارت البيروفسكيتات المزدوجة المرتبة بالفجوات اهتماما كبيراً في الأوساط البحثية بسبب إمكانية استخدامها كمواد امتصاص
الضوء في خلايا الطاقة الشمسية البيروفسكيتية. ومع ذلك، لا يزال هناك نقص في الفهم الشامل لخصائصها المادية على
المستوى الذري .
تستخدم هذه الدراسة طرق (Ab-initio) المعتمدة على طريقة الأمواج المستوية المتزايدة خطيا (FP-LAPW) لدراسة
الخصائص البنيوية و الالكترونية والبصرية والحرارية و الديناميكية للبيروفسكيتات المزدوجة (X= Cl, Br, I) 6SnX2K
باستخدام طريقة نظرية كثافة الدالة (DFT) و نظرية النقل لبولتزمان. نقوم بتنفيذ تحليل شامل نستخدم فيه التدرج المعمم
(GGA) مع وبدون تعديل mBJ .
يشير تحليلنا الإلكتروني إلى أن الهياكل الإلكترونية )band structure( تكشف عن فجوات باند مباشرة ل 6SnCl2K و 6SnBr2K ، بينما يظهر 6SnI2K فجوة باند غير مباشرة، مع فجوات باند تتراوح بين 1.70 إلكترون فولت إلى 4.126
إلكترون فولت باستخدام (PBESol-mBJGGA) ، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في الخلايا الشمسية والتطبيقات البصرية-
الإلكترونية .
يظهر تحليل الدوال الكهروبصرية، ومعاملات الامتصاص، وحسابات معامل الانكسار اتفاقًا ممتازًا مع الفجوات الطاقوية
النظرية، مما يؤكد التنبؤ الدقيق بها. يظهر 6SnI2K امتصاصًا للضوء متفوقًا في النطاق المرئي مقارنة ب 6SnCl2K ، نظرًا
لأن لفجوة الطاقوية أضيقة لديه، مما يجعله مناسبًا للخلايا الشمسية.
قيمت الخصائص الكهروحرارية، بما في ذلك الناقلية الحرارية الإلكترونية والشبكية، ومعاملات سيبيك، ومعاملات القوة. يزيد
استبدال اليود من القدرة الكهربائية، بينما يقل نقل الحرارة الفونونية مع ارتفاع الحرارة. تظهر هذه المركبات توصيلًا من نوع
p ، وتشير قيم معامل القوة ZT إلى الوعد كمواد حرارية-كهرو حرارية. فعالة. في درجة حرارة 500 كلفن، تتحقق قيم ZT القصوى ل 0.58 ، 0.69 ، و 650. ل 6SnCl2K ، 6SnBr2K ، و 6SnI2K على التوالي .
تؤكد هذه النتائج أن المواد المدروسة واعدة للاستخدام في الخلايا الشمسية وأجهزة التحويل الحراري، مع الإشارة بشكل خاص
إلى كفاءتها حتى في ظروف درجات الحرارة العالية
Keywords
Vacancy ordered double perovskites, Solar cell, Figure of merit, Seebeck coefficient, Power factor.