Tailoring optical and ferroelectric properties in Sb$_{1− x}$Bi$_x$ SI van der Waals chalcohalides towards solar absorber applications

Die Effizienz von Solarzellen hängt von Absorbermaterialien ab, deren optische und elektronische Eigenschaften für optimale Leistung präzise eingestellt werden können. Das gemischt-anionische Van-der-Waals-Material SbSI ist ein vielversprechender Kandidat, da es sowohl eine schmale Bandlücke als auch eine starke ferroelektrische Polarisation aufweist, was zusammen einen robusten photovoltaischen Effekt und einen hohen Wirkungsgrad (PCE) ermöglicht. Wir zeigen hier, dass die Substitution von Antimon durch Bismut in SbSI eine gezielte Einstellung sowohl der Bandlücke als auch der ferroelektrischen Eigenschaften erlaubt. Ein steigender Bi-Gehalt induziert anisotrope Veränderungen in der Kristallstruktur: Die Bandlücke nimmt bei geringen Substitutionsgraden rapide ab und stabilisiert sich bei höheren Bi-Konzentrationen bei 1,5 eV. Gleichzeitig wird die Ferroelektrizität stark unterdrückt, was sich im Verschwinden von Soft-Phonon-Moden und Signalen der zweiten Harmonischen zeigt. Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie bestätigen die Beobachtung, dass der ferroelektrische Grundzustand durch Bi-Substitution ungünstiger wird. Dies ist auf Veränderungen der Sb/Bi–S-Bindungseigenschaften und eine damit einhergehende Verringerung der freien Elektronenpaare zurückzuführen. Die Möglichkeit, sowohl strukturelle als auch funktionelle Eigenschaften gezielt einzustellen, unterstreicht das Potenzial von Sb 1− x Bi x SI für die Entwicklung leistungsstarker Solarenergiematerialien der nächsten Generation.