Estudo das propriedades estruturais e optoeletrônicas de Perovskitas ecológicas de haleto com baixa dimensionalidade

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Dalmedico, Jônatas Favotto
• Orientador(a): Piotrowski, Maurício Jeomar
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Pelotas
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Física
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: DFT; PDFT; Perovskitas; Propriedades Ópticas; Éxcitons; Tight-Binding
• Área do conhecimento CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
• Link de acesso: http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/handle/prefix/17420

As Perovskitas de Haleto de Metal Híbridas (MHPs) bidimensionais (2D), nas últimas décadas, acenderam como semicondutores promissores para aplicação em dispositivos fotovoltaicos. Apesar da alta compatibilidade com o meio ambiente e excelente estabilidade termodinâmica, o emprego do chumbo (Pb) como metal base apresenta riscos para o meio ambiente e a vida humana. Buscando transpor essa barreira à comercialização, este trabalho explora o impacto de metais (B) e haletos (X) alternativos (B = Ge ou Sn; X = Br ou I), na estrutura inorgânica, sobre as propriedades estrutural e optoeletrônica. Os sistemas investigados são as MHPs 2D da família Ruddlesden- Popper, BA2MAn+1BnX3n+1 (de 1 até 5 camadas), e a perovskita 3D bulk (MA)BX3 (onde BA = butilamônio e MA = metilamônio), empregando uma metodologia ab initio com correções de spin-órbita (SOC), quasipartícula DFT-1/2 e forças de van der Waals (D3). Resultados preliminares indicaram como o raio iônico pode induzir anisotropia nas distorções internas e externas das redes orgânica e inorgânica. Da mesma forma, os espaçadores BA afetaram a distorção local e a energia de gap do sistema. Em seguida, analisamos as propriedades excitônicas e de resposta óptica do sistema BA2SnI4, utilizando um protocolo computacional capaz de integrar abordagens ab initio e semi-empírica. Aplicamos um fluxo de cálculo computacional robusto e econômico, o qual combina funções de Wannier maximamente localizadas via o método tight-binding (MLWF-TB), descrevendo os estados eletrônicos no escopo da aproximação de partícula independente (IPA) e da equação de Bethe-Salpeter (BSE). Tudo isso mantendo o mesmo protocolo ab initio e suas correções. A análise revelou que substituir Pb por Sn aprimorou as propriedades excitônicas e a eficiência de extração de carga, demonstrando que a perovskita BA2SnI4 é um material fotovoltaico promissor, capaz de atingir até 25% de eficiência de potência de conversão (PCE) em filmes ultrafinos com espessura inferior a 0;25 μm. Além disso, em comparação com o IPA, a predição via BSE revelou um red-shift na absorção óptica, estendendo o intervalo de resposta ao espectro visível. O protocolo empregado promove uma caracterização profunda de perovskitas 2D, preparando o caminho para alternativas ecologicamente corretas e aptas a substituir eficientemente o Pb por materiais sustentáveis. Todavia, apesar das características vantajosas dessas perovskitas, são necessários desenvolvimentos mais aprofundados para favorecer sua produção e aprimorar sua estabilidade de performance.