Band alignment in Cu2O/CH3NH3PbI3 interfaces

Abstract

La generación de energía utilizando la radiación solar como suministro es una de las tecnologías más prometedoras para poder enfrentar el calentamiento global y el aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera, permitiendo a futuro reemplazar las energías basadas en combustibles fósiles. La forma mas extendida de uso de la energía solar se efectúa mediante celdas solares fotovoltaicas que producen electricidad aprovechando el efecto fotovoltaico en diferentes materiales semiconductores. Particularmente, durante la última década las tecnologías fotovoltaicas basadas en haluros híbridos orgánico inorgánicos con estructura de perovskita (HOIHP) han mostrado un aumento en su e ciencia de fotoconversión sin precedentes (25.7%), logrando e ciencias similares a las clásicas basadas en Silicio. Este material no solo es prometedor por su alta e ciencia, si no que también por su bajo costo y simple fabricación. Aún así, presentan di cultades que todavía tienen que ser solucionadas, como la inestabilidad/descomposición al exponerse al ambiente, y los posibles materiales transportadores de carga complementarios que pueden solucionar y mejorar su desempeño. Particularmente, celdas fotovoltaicas basadas en perovskitas que utilizan Cu2O como material transportador de agujeros han mostrado un buen desempeño de fotoconversión y por sobre todo una estabilidad comparativamente mayor. Considerando la complejidad de los experimentos a escala atómica, necesarios para entender y continuar mejorando el desempeño, los estudios computacionales de primeros principios son una fuente en información relevante para comprender estos fenómenos a escala atómica. En esta investigación hemos utilizando cálculos de primeros principios a escala atómica mediante la Teoría del Funcional de la Densidad en conjunto con la aproximación de frontera periódica, para estudiar el alineamiento de niveles energéticos de la interfaz entre Cu2O y CH3NH3PbI3 (la más estudiada de la familia de HOIHP). Para ello hemos utilizado sistemas tipo baldosa para ambos materiales y alineado sus niveles energéticos mediante dos metodologías: usando procedimiento indirecto del nivel de vacío como referencia, y posteriormente, generando explícitamente las interfaces entre ambos materiales para aquellas super cies que mostraron un alineamiento y geometrías adecuadas para la formación de la interfaz. Esto nos permitió realizar una exploración de distintas super cies en primera instancia, para después estudiar detallada y explícitamente las interfaces seleccionadas. Además utilizamos dos metodologías distintas para determinar las energías de los estados de máxima de valencia y mínimo de conducción, esto es: mediante cálculos de campo autoconsistente con funcional híbrido, y mediante la extrapolación desde el material extendido utilizando el potencial electrostático promedio como referencia. Utilizando estas aproximaciones y metodologías, hemos obtenido información relevante sobre ambos materiales como también de la interfaz Cu2O/CH3NH3PbI3 respecto del alineamiento de niveles electrónicos, geometrías atómicas y estados trampa. Esta información es relevante para mejorar la e ciencia y estabilidad de celdas fotovoltaicas basadas en HOIHP, particularmente CH3NH3PbI3 con Cu2O como material transportador de agujeros.

Energy generation employing solar radiation as a supply is one of the most promising technologies for tackling global warming and the increasing of CO2 concentration in the atmosphere, enabling in the future to replace fossil fuel based energies. The most extended way of solar energy use is through photovoltaic solar cells that produce electricity by exploiting the photovoltaic e ect in di erent semiconductor materials. Particularly, during the last decade, photovoltaic technologies based on Halide Organic Inorganic Hybrid Perovskites (HOIHP) have shown an unprecedented increase in photo conversion e ciency (25.7%), achieving similar e ciencies to classical silicon based photovoltaic. This material is not only promising for its high e ciency, but also for its low cost and simple fabrication. However, presents di culties that still need to be solved, such as instability/decomposition upon exposure to the environment, and possible complementary charge transport materials that can solve and improve their performance. In particular, perovskite based photovoltaic cells using Cu2O as a hole transport material have shown good performance e ciencies and a comparatively higher stability. Considering the complexity of atomic scale experiments, needed to understand and further improve performance, computational rst principles studies are a source of relevant information to understand these atomic scale phenomena. In this research we have employed atomic scale rst principles calculations through Density Functional Theory and periodic boundary condition approximation, to study the energy level alignment at the interface of Cu2O and CH3NH3PbI3 (the most studied of the HOIHP family). We have used slab systems for both materials and aligned their energy levels by two methodologies: using the indirect procedure of vacuum level as a reference, and afterwards, explicitly generating the interfaces between the two materials for those surfaces that showed suitable alignment and geometries for interface formation. This allowed us to explore di erent surfaces in the rst instance, and subsequently to study the selected interfaces in detail and explicitly. In addition, we used two di erent methodologies to determine the energies of the valence maximum and conduction minimum states, i.e., by self consistent eld calculations with hybrid functional, and by extrapolation from the extended material using the average electrostatic potential as a reference. Using these approaches and methodologies, we have obtained relevant information on both materials as well as on the Cu2O/CH3NH3PbI3 interface about electronic level alignment, atomic geometries and trap states. This information is relevant to improve the e ciency and stability of HOIHP based photovoltaic cells, particularly CH3NH3PbI3 with Cu2O as hole transport material.