First-principles ultrafast charge carrier dynamics of methylammonium lead halide perovskites

Abstract

Los semiconductores de perovskita de haluro de plomo y metilamonio, MAPbX3 (MA = CH3NH3, X= I, Br, Cl), se han convertido en el foco de los esfuerzos de investigación en el campo de la energía fotovoltaica. La investigación de procesos en un nivel de nanoescala se puede lograr a través de la teoría funcional de densidad dependiente del tiempo en tiempo real y la dinámica molecular de Ehrenfest. En un trabajo de primeros principios basado en la teoría funcional de densidad dependiente del tiempo en tiempo real, investigamos la dinámica ultrarrápida del portador de carga de MAPbI3. Este trabajo también incluye cálculos ab initio de la teoría funcional de la densidad (DFT) sobre la estructura electrónica del uso de funcionales de última generación, incluidas las aproximaciones HSE06 y GW. Los resultados de la estructura electrónica confirman una alta localización del componente inorgánico de la perovskita cerca del nivel de Fermi. Se encontró que los cationes CH3NH3+ no contribuyen a la absorción óptica, sino que actúan como un relleno estructural y aseguran la neutralidad de carga de la celda unitaria. La dinámica ultrarrápida de las perovskitas de haluro de plomo de metilamonio (X = I) se analizó siguiendo la evolución de la población de portadores de carga utilizando el formalismo de la teoría funcional de densidad dependiente del tiempo en tiempo real (TDDFT). El espectro de absorción calculado bajo el enfoque de aproximación de densidad local adiabática (ALDA) reproduce dos excitaciones de alta energía, que son consistentes con los resultados experimentales. Al incidir en el sistema con un pulso de femtosegundo coherente y con intensidades variables, se encontró una respuesta pronunciada dependiente de la intensidad, que se manifiesta en la generación de armónicos altos. De esta forma, se puede interpretar la dinámica del portador de carga en términos de estimadores simples, como el número de electrones excitados.