The structural, electronic, and defect properties of cubic $CsPbX_3$ (X = Cl, Br, I) and orthorhombic $CsPbCl_3$, $CsPbBr_3$ are investigated based on first principles calculation to understand the perovskite systems which have recently shown big progress as the solar cell absorber. Regardless of the structure type, the main electronic properties of all the systems mainly come from the Pb - X bonding character while Cs play a role to balance the charge of the whole system by donating an electron to the Pb - X framework. The estimated bandgaps and effective masses show the decreasing tendency as X goes from Cl to I and increasing tendency as structure goes from cubic to orthorhombic. For the vacancy defects of Cs, Pb, and X, the most favorable doping type is p-type by $V_{Cs}$ under $PbX_2$ - rich condition for all the systems. For the vacancy defects of Cs and Pb, all the cubic systems exhibit no gap state within the bandgap, which leads the high performance photovoltaic operation of the peroveskite materials along with the long carrier diffusion length. The investigation of the effects depending on the phase and halogen anion X in $CsPbX_3$ suggests that higher performance next generation solar cells based on halide peroveskite can be achieved with the careful considerations for the crystal structure and components of the perovskite materials.
최근에 큰 성과를 보이고 있는 새로운 형태의 태양전지, 페로브스카이트 태양전지의 시스템 이해를 위해 페로브스카이트 cubic $CsPbX_3$ (X = Cl, Br, I)과 orthorhombic $CsPbCl_3$, $CsPbBr_3$ 시스템의 원자 및 전자적 특성에 관한 제일원리 계산을 수행 하였다. 구조의 종류에 관계없이 시스템의 주요 전자적 특성은 Pb - X의 결합 특성으로부터 결정되고, Cs은 단순히 전체 시스템의 전하 균형을 맞추는 역할을 한다. 계산되어진 bandgap과 유효질량(effective masses)은 X가 Cl에서 I로 변함에 따라 감소하는 경향을 보이는 반면, 구조가 cubic에서 orthorhombic으로 변함에 따라서는 증가하는 경향을 보인다. 모든 cubic시스템에 있어서, $PbX_2$가 풍부한 성장 조건에서, Cs, Pb, 그리고 X의 vacancy 결함 중 Cs vacancy가 가장 쉽게 발생할 수 있고 이는 시스템을 자연스럽게 p-type으로 만든다. 특히, Cs, Pb vacancy 결함의 경우에는 모든 cubic 시스템이 bandgap 내에 따로 gap state를 발생시키지 않는다. 이러한 특징은 긴 carrier 확산 거리와 함께 페로브스카이트 태양전지의 고성능 광기전력의 원인이 된다. 페로브스카이트 시스템의 구조와 할로겐 이온 X의 변화 효과에 관한 본 연구는 시스템의 구조 및 구성요소에 대한 신중한 고찰과 함께 페로브스카이트 기반의 차세대 고성능 태양전지의 발전 가능성을 제시한다.
