ВЗАЄМНА СИСТЕМА Cs3Sb2Br9+Cs2TeI6  Cs3Sb2I9+Cs2TeBr6: ФАЗОВІ РІВНОВАГИ, ЕЛЕКТРОННА СТРУКТУРА ТА ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ПРОМІЖНИХ ФАЗ

Автор(и)

  • I. E. Barchiy ДВНЗ "Ужгородський національний університет" http://orcid.org/0000-0002-3124-8346
  • O. V. Zubaka ДВНЗ "Ужгородський національний університет"
  • I. P. Stercho ДВНЗ "Ужгородський національний університет" http://orcid.org/0000-0002-9752-9343
  • O. P. Kokhan ДВНЗ "Ужгородський національний університет" http://orcid.org/0000-0003-1534-6779
  • A. I. Pogodin ДВНЗ "Ужгородський національний університет"
  • E. Yu. Peresh ДВНЗ "Ужгородський національний університет"
  • A. O. Fedorchuk Львівський національний університет ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З. Гжицького http://orcid.org/0000-0002-9324-3719
  • O. O. Shpenyk ДВНЗ "Ужгородський національний університет"
  • O. B. Molnar ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

DOI:

https://doi.org/10.24144/2414-0260.2020.2.5-18

Ключові слова:

перовскітні галогеніди, фазові діаграми, Ab initio розрахунки, електронна структура, RF-спектри

Анотація

Одним із основних методів генерації сонячної енергії є використання фотогальванічних або сонячних елементів. В якості потенційних сполук для фотоелектроніки запропоновано використовувати Cs-, Rb-вмісні галогенідні подвійні перовскіти типу A2B1B2X6 та вакантно-упорядковані перовскіти типу A2B□X6 (де □ вакансія).

Класичними методами фізико-хімічного аналізу (ДТА, РФА, МСА) із залученням математичного моделювання вивчено фазові рівноваги у взаємній системі Cs3Sb2Br9–Cs2TeI6 « Cs3Sb2I9–Cs2TeBr6. Сполуки плавляться конгруентно Cs3Sb2Br9 (864 К),Cs2TeBr6 (1019 К), Cs2TeI6 (806 К),Cs3Sb2I9 (876 К). Сполука Cs3Sb2Br9 зазнає поліморфного перетворення при 791 К. Показано, що завдяки утворенню неперервних рядів твердих розчинів у системі Cs2TeBr6–Cs2TeI6 досліджувана взаємна система веде себе як квазіпотрійна Cs3Sb2Br9 – Cs3Sb2I9–Cs2TeBr6–хIх (відбувається нонваріантний евтектичний процес L«a+b’+g, температура 737 K, склад 26 мол.% Cs3Sb2Br9, 32 мол.% Cs3Sb2I9, 19 мол.% Cs2TeB6, мол.% Cs2TeI6. Утворення нових складних сполук не зафіксовано

З позицій ТКП та МО розглянуто будову комплексного октаедричного іону [SbX6]3– (Х – галоген), який характеризується sp3d2 гібридизацією електронних орбіталей центрального атома Sb. Іон Те4+ з більш високим ступенем окиснення ніж Sb3+ за рахунок більшої різниці зарядів утворює менш віддалені до атомів галогену d–орбіталі, тому зв’язки Те–X іону [ТеX6]2– більш щільні по відношенню до Sb–X іону [SbX6]3–. Також, галогенід-іони ближче підходять до меншого за розмірами і більш високо зарядженому іону Те4+ (радіуси іонів в кристалах rіон Те4+ = 0.56 Å, rіон Sb3+ = 0.60 Å) і більш сильніше взаємодіють з його d–орбіталями.

Ab initio квантово-хімічні розрахунки електронної структури з використанням метода теорії функціоналу густини (DFT) показали, що всі досліджувані сполуки (окрім Cs3Sb2Br9) відносяться до непрямо зонних напівпровідників з шириною забороненої зони Eg = 2.24 еВ (Cs2TeBr6), Eg = 1.43 еВ (Cs2TeI6), Eg = 2.18 еВ (Cs3Sb2Br9), Eg = 1.87 еВ (Cs3Sb2I9) та Eg = 1.35 еВ (Cs2TeBr3I3). Оптична заборонена зона (Eg) для сполук типу Cs2TeX6 формується переходами Br 4p (I 5p) → Те  або Те 5s → Те , для сполук типу Cs3Sb2X9 Br 4p → Sb  та І 5p → Sb  (або Sb 5s → Sb ). За результатами дослідження RF-спектрів перовскітних сполук встановлено, що максимальне співвідношення між інтенсивностями спектрів випромінювання та поглинання Irad/Iab складає 3.61 для Cs3Sb2Br9 та 3.31 для Cs3Sb2I9, що вказує на можливість їх використання як перспективних функціональних матеріалів для елементів сонячних панелей.

Біографії авторів

I. E. Barchiy, ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

Д.х.н., проф., завідувач кафедрою неорганічної хімії

O. V. Zubaka, ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

к.х.н., доц., доцент кафедри неорганічної хімії

I. P. Stercho, ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

к.х.н., доц., доцент кафедри фізичної та колоїдної хімії

O. P. Kokhan, ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

к.х.н., доц., доцент кафедри неорганічної хімії

A. I. Pogodin, ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

к.х.н., старший науковий співробітник кафедри неорганічної хімії

E. Yu. Peresh, ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

д.х.н., проф., професор кафедри неорганічної хімії

A. O. Fedorchuk, Львівський національний університет ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З. Гжицького

д.х.н., проф., професор кафедри біологічної та загальної хімії

O. O. Shpenyk, ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

к.фіз.-мат.н., доц., директор Українсько-угорського навчально-наукового інституту

O. B. Molnar, ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

к.фіз.-мат.н., доц., доцент кафедри фізико-математичних дисциплін

Посилання

Mysak Y. S., Ozarkiv I. M., Adamovskyi M. H., Maksymiv V. M., Tunytsia T. Yu. Netradytsiini dzherela enerhii: teoriia i praktyka. Lviv: NVF «Ukr. tekhnolohii», 2013. S. 356 (in Ukr.).

Jeon N.J., Noh J.H., Yang W.S., Kim Y.C., Ryu S., Seo J., Seok S.I. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells. Nature. 2015, 517(7535). 476–480. Doi: 10.1038/nature14133.

Vidyasagar C.C., Munoz Flores B.M., Jimenez Perez V.M. Recent Advances in Synthesis and Properties of Hybrid Halide Perovskites for Photovoltaics. Nano-Micro Lett. 2018, 10, 68. Doi: 10.1007/s40820-018-0221-5.

Bohee Hwang, Chungwan Gu, Donghwa Lee, Jang-Sik Lee. Effect of halide-mixing on the switching behaviors of organic-inorganic hybrid perovskite memory. Sci. Rep, 2017, 7(1), 43794. Doi: 10.1038/srep43794.

Bi D., Xu B., Gao P., Sun L., Grätzel M., Hagfeldt A. High-Performance Regular Perovskite Solar Cells Employing Low-Cost Poly(ethylenedioxythiophene) as a Hole-Transporting Material. Nano Energy. 2016, 23, 138–144. Doi: 10.1038/srep42564.

Kulbak M., Cahen D., Hodes G. How Important Is the Organic Part of Lead Halide Perovskite Photovoltaic Cells? Efficient CsPbBr3 Cells. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6(13), 2452–2456. Doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00968.

McMeekin D.P., Sadoughi G.. Rehman W., Eperon G.E., Saliba M., Hörantner M.T., Haghighirad A., Sakai N., Korte L., Rech B., Johnston M.B. Herz L.M., Snaith H.J A mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cells. Science. 2016, 351(6269), 151–155. Doi: 10.1126/science.aad5845.

Jacobsson T.J., Pazoki M., Hagfeldt, A., Edvinsson T. Goldschmidt’s Rules and Strontium Replacement in Lead Halogen Perovskite Solar Cells: Theory and Preliminary Experiments on CH3NH3SrI3. J. Phys.Chem. C. 2015, 119(46), 25673–25683. Doi: 10.1021/acs.jpcc.5b06436.

Mosconi E., Amat A. Nazeeruddin Md. K., Gratzel M., De Angelis F. First-Principles Modeling of Mixed Halide Organometal Perovskites for Photovoltaic Applications. J. Phys. Chem. C. 2013, 117(27), 13902–13913. Doi: 10.1021/jp4048659.

Niu G., Guo X., Wang L. Review of recent progress in chemical stability of perovskite solar cells. J. Mater. Chem. A. 2015, 3(17), 8970–8980. Doi: 10.1039/C4TA04994B.

Sutton R.J., Eperon G.E., Miranda L., Parrott E.S., Kamino B.A., Patel J.B., Hörantner M.T., Johnston M.B., Haghighirad A.A., Moore D.T., Snaith H.J. Bandgap-Tunable Cesium Lead Halide Perovskites with High Thermal Stability for Efficient Solar Cells. Adv. Energy Mater. 2016, 6(8), 1502458. Doi: 10.1002/aenm.201502458.

Filip M.R., Giustino F. Computational Screening of Homovalent Lead Substitution in Organic-Inorganic Halide Perovskites. J. Phys. Chem. C. 2016, 120(1), 166–173. Doi: 10.1021/acs.jpcc.5b11845.

Körbel S., Marques M.A., Botti S. Stability and electronic properties of new inorganic perovskites from high-throughput ab initio calculations. J. Mater. Chem. C.4 2016, (15), 3157–3167. Doi: 10.1039/C5TC04172D.

Li Z., Yang M., Park J.-S., Wei S.-H., Berry J.J. Zhu К. Stabilizing Perovskite Structures by Tuning Tolerance Factor: Formation of Formamidinium and Cesium Lead Iodide Solid-State Alloys. Chem. Mater. 2016, 28(1), 284–292. Doi: 10.1021/acs.chemmater.5b04107.

Yi C., Luo J., Meloni S., Boziki A., Ashari-Astani N., Grätzel C., Zakeeruddin S. M., Röthlisberger U., Grätzel M. Entropic stabilization of mixed A-cation ABX3 metal halide perovskites for high performance perovskite solar cells. Energy Environ. Sci. 2016, 9(2), 656–662. Doi: 10.1039/C5EE03255E.

A.E. Maughan A.E., Ganose A.M., Bordelon M.M., Miller E.M., Scanlon D.O., Neilson J.R. Defect Tolerance to Intolerance in the Vacancy-Ordered Double Perovskite Semiconductors Cs2SnI6 and Cs2TeI6. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 8453–8464. Doi: 10.1021/jacs.6b03207.

Volonakis G., Haghighirad A.A., Milot R.L., Sio W.H., Filip M.R., Wenger B., Johnston M.B., Herz L.M., Snaith H.J., Giustino F. Cs2InAgCl6: A New Lead-Free Halide Double Perovskite with Direct Band Gap. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 772–778. Doi: 10.1021/acs.jpclett.6b02682.

Saidaminov M.I., Abdelhady A.L., Murali B., Alarousu E., Burlakov V.M., Peng W., Dursun I., Wang L.F., He Y., Maculan G., Goriely A., Wu T., Mohammed O.F., Bakr O.M. High-quality bulk hybrid perovskite single crystals within minutes by inverse temperature crystallization. Nature Commun. 2015, 6, 7586–7592. Doi: 10.1038/ncomms8586.

Zyiryanov V.G., Petrov E.S. Diagrammyi sostoyaniya sistem CsI-SbI3 и RbI-SbI3. Izv. AN SSSR. Ser. him. nauk. 1974, В2(4), 109–111 (in Russ.).

Kun S.V., Peresh E.Yu., Lazarev V.B., Kun A.V. Fazovyie ravnovesiya v sistemah CsBr Bi(Sb)Br3, poluchenie i svoystva obrazuyuschihsya soedineniy. Neorgan. mater. 1991, 27(3), 611–615 (in Russ.).

Peresh E.Yu., Zubaka O.V., Sidei V.I., Barchii I.E., Kun S.V., Kun A.V. Preparation, Stability Regions, and Properties of M2TeI6 (M = Rb, Cs, Tl) Crystals. Inorgan. Mater. 2002, 38, 859–863. Doi: 10.1023/A:1019747432003.

Peresh E.Yu., Sidei V.I., Zubaka O.V. Phase relations in the systems A2TeI6-Tl2TeI6 (A = K, Rb, Cs) and A2TeBr6-A2TeI6 (A = K, Rb, Cs, Tl(I)). Inorgan. Mater. 2005, 41, 298–302. Doi: 10.1007/s10789-005-0127-8.

Stercho I.P., Zubaka O.V., Barchiy I.E., Peresh E.Yu., Kokhan O.P., Pogodin A.I. Analysis of changes chemical bonding type and interaction in the system based on perovskites compounds Cs3Sb2Br9(I9) and Cs2TeBr6(I6). Sci. Bull. Uzhh. Univ. Ser. Chem. 2017, 1(37), 48–54 (in Ukr.).

Stercho I., Pogodin A., Kokhan O., Barchiy I., Fedorchuk A., Kityk I., Piasecki M.. Interaction in the system based on the Cs3Sb2Br9(I9) and Cs2TeBr6(I6) compounds. Chem. Met. Alloys. 2017, 10 (3/4), 113–119.

Holland T., Redfern S. Unit cell refinement from powder diffraction data: the use of regression diagnostics. Mineral. Mag. 1997, 61, 65–67. Doi: 10.1180/minmag.1997.061.404.07.

Kraus W.J., Nolze G. Powder Cell – a program for the representation and manipulation of crystal structures and calculation of the resulting X-ray powder patterns. Appl. Crystallogr. 1996, 29(3), 301–303. Doi: 10.1107/S0021889895014920.

Momma K., Izumi F. VESTA 3 for three-dimentional visualization of crystal and morphology data. J. Appl. Cryst. 2011, 44, 1272–1276. Doi: 10.1107/S0021889811038970.

Giannozzi P., Andreussi O., Brumme T., Bunau O., Buongiorno Nardelli M., Calandra M., Car R., Cavazzoni C. et al. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO. J. Phys.: Condensed Matter. 2017, 29(46), 465901–465912. Doi: 10.1088/1361-648X/aa8f79.

Dal Corso A. A Pseudopotential Plane Waves Program (PWSCF) and some Case Studies. Springer, Berlin, Heidelberg. 1996, 67, 155–178. Doi: 10.1007/978-3-642-61478-1_10.

Peresh E.Yu., Lazarev V.B., Kun S.V., Barchiy I.E., Kun A.V., Sidey V.I. Complex halogenides A3B2C9 (A - Rb,Cs; B - Sb,Bi; C - Br,I) type and solid solutions based on they. Inorgan. Mater. 1997, 33(4), 431–435.

Stercho I.P., Barchii I.E., Malakhovskaya T.A., Pogodin A.I., Sidei V.I., Solomon A.M., Peresh E.Yu. Physicochemical interaction in the Cs3Sb2Br9–Cs2TeBr6 system: the state diagram and the nature of the interaction of components. Rus. J. Inorg. Chem. 2015, 60(2), 225–229. Doi: 10.1134/S0036023615020163.

Stercho I.P., Barchiy I.E., Peresh E.Yu., Sidey V.I., Malakhovska T.А. Phase diagrams of the Cs3Sb2I9–Cs2TeI6 and Rb3Sb2I9–Rb2TeI6 systems. Chem. Met. Alloys. 2013, 6, 192–195.

Barchiy I., Zubaka O., Peresh E., Sidey V., Kokhan O., Stercho I., Fedorchuk A., Piasecki M. Reciprocal K2TeI6 + Rb2TeBr6  K2TeBr6 + Rb2TeI6 system: phase relation, crystal and electronic structures. Chem. Met. Alloys. 2020, 13, 14–22.

Skopenko V.V., Savranskyi L.I. Koordynatsiina khimiia. Kyiv: Lybid, 2004. S. 424 (in Ukr.).

Batsanov S.S. Eksperimentalnyie osnovyi strukturnoy himii. Moskva: Izdatelstvo standartov, 1986. S. 240 (in Russ.).

##submission.downloads##

Номер

Розділ

Статті