Propiedades estructurales, electrónicas y ópticas de perovskitas CsPbBr3 y RbxCs(1-x)PbBr(3-y)Iy para aplicaciones en celdas solares : Un estudio experimental y por DFT computacional
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Resumen
El presente trabajo de investigación se centra en la síntesis, caracterización y modelado computacional de perovskitas inorgánicas mixtas basadas en el sistema CsPbBr3 y sus derivados sustituidos con la fórmula general RbxCs(1−x)PbBr(3−y)Iy , con el fin de evaluar su viabilidad para aplicaciones optoelectrónicas. Experimentalmente, se fabricaron películas delgadas mediante la técnica de Evaporación Física (PVD), confirmando mediante Difracción de Rayos X y refinamiento Rietveld la obtención de la fase ortorrómbica (Pnma) y una expansión anisotrópica del volumen de la celda unitaria dominada por la incorporación del ion yodo.
Los resultados revelan una correlación teórico-experimental consistente en las perovskitas mixtas: la sustitución parcial induce una reducción del bandgap óptico (de 2,47 eV en CsPbBr3 a 2,37 eV en Rb0.12Cs0.88PbBr2.88I0.12), así como un incremento notable en el coeficiente de absorción (∼105 cm −1 ). Si bien el funcional r2SCAN+rVV10 predice con precisión la brecha energética, el análisis de la estructura de bandas sugiere que altos grados de sustitución (x=0,12) provocan un aplanamiento de las bandas de conducción y una localización de los portadores de carga, lo cual implicaría una menor movilidad. Se concluye que los valores de masa efectiva obtenidos bajo este nivel de teoría requieren una validación futura empleando funcionales híbridos con acoplamiento espín-órbita (HSE+SOC) para confirmar dicha localización de portadores de carga.
Desde una perspectiva metodológica, se desarrolló una herramienta computacional en Python para el cálculo de masas efectivas a partir de la dispersión energética E(k). Se validó la robustez del Método de Kane frente a los métodos tradicionales de diferencias finitas y ajuste polinomial, demostrando su superioridad al contrastarlo con semiconductores de referencia (Si, CdTe, GaAs). Esta herramienta se propone como un estándar para el reporte de masas efectivas, ya que mitiga los problemas de ruido numérico, ofrece precisión tanto para portadores ligeros como pesados, y permite obtener resultados fiables incluso con bajas densidades de puntos k, optimizando significativamente los tiempos de cálculo. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
This research focuses on the synthesis, characterization, and computational modeling of
mixed inorganic perovskites based on the CsPbBr3 system and its substituted derivatives with
the general formula RbxCs(1−x)PbBr(3−y)Iy , aiming to evaluate their viability for
optoelectronic applications. Experimentally, thin films were fabricated using Physical Vapor
Deposition (PVD), confirming through X-ray Diffraction and Rietveld refinement the
obtainment of the orthorhombic phase (Pnma) and an anisotropic unit cell volume expansion
dominated by iodine incorporation.
Results reveal a consistent theoretical-experimental correlation in mixed perovskites: partial
substitution induces a reduction in the optical bandgap (from 2.47 eV in CsPbBr3 to 2.37 eV
in Rb0.12Cs0.88PbBr2.88I0.12), as well as a remarkable increase in the absorption coefficient
(∼105 cm−1 ). Although the r2
SCAN+rVV10 functional accurately predicts the energy gap,
band structure analysis suggests that high degrees of substitution (x=0.12) cause conduction
band flattening and charge carrier localization, implying lower mobility. It is concluded that
the effective mass values obtained under this level of theory require future validation using
hybrid functionals with spin-orbit coupling (HSE+SOC) to confirm such charge carrier
localization.
From a methodological perspective, a computational tool was developed in Python to
calculate effective masses from E(k) dispersion. The robustness of Kane's Method was
validated against traditional finite difference and polynomial fitting methods, demonstrating
its superiority when contrasted with reference semiconductors (Si, CdTe, GaAs). This tool is
proposed as a standard for reporting effective masses, as it mitigates numerical noise, offers
accuracy for both light and heavy carriers, and provides reliable results even with low k-point
densities, significantly optimizing calculation times.
Descripción
ilustraciones principalmente a color, diagramas, tablas