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https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/24449| Tipo de Documento: | Tese |
| Título : | Estudo Ab-Initio das propriedades estruturais, eletrônicas, ópticas e fotovoltaicas dos compostos NaBiS2 e NaBiSe2 |
| Autor : | Maia, Luciano Paulo de Araújo |
| Fecha de publicación : | 23-oct-2025 |
| Director(a): | Lima, Adilmo Francisco de |
| Resumen: | Compostos semicondutores ferroelétricos, com propriedades fotovoltaicas (fotoferroicos), representam alternativas promissoras aos semicondutores convencionais utilizados em células solares, pois não estão sujeitos à limitação de eficiência de conversão de energia imposta pelo limite de Shockley-Queisser. Neste contexto, esta tese investiga o potencial dos compostos NaBiS2 e do NaBiSe2, ambos com estrutura ortorrômbica e ferroelétrica, para aplicações em dispositivos fotoferroicos. Cálculos baseados na Teoria do Funcional da Densidade foram conduzidos para explorar suas propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas, empregando o potencial de troca modificado de Becke-Johnson para uma descrição mais precisa da estrutura eletrônica e propriedades ópticas. Além disso, foram estimadas as eciências de conversão de energia por meio do método da eciência espectroscópica máxima limitada, a fim de avaliar o desempenho potencial desses materiais em células fotovoltaicas. Os resultados indicam que as energias de bandgap direto do NaBiS2 e do NaBiSe2 são de aproximadamente 1,2 eV e 0,75 eV, respectivamente. O NaBiS2 apresenta um valor de bandgap considerado ideal para aplicações fotovoltaicas sob iluminação solar, enquanto o NaBiSe2 exibe um valor inferior ao esperado do ponto de vista teórico, mas ainda relevante para absorção na região do infravermelho próximo. Ambos os compostos apresentam coeficiente de absorção na faixa do espectro visível com intensidades da ordem de 105 cm−1, característica óptica favorável que permite a utilização de lmes relativamente nos para absorver eficientemente a luz solar, fator essencial para dispositivos de alto desempenho. Verificou-se ainda uma anisotropia óptica pronunciada, associada à estrutura eletrônica, para ambos os compostos. A absorção visível decorre principalmente de transições dos estados 3px,y do S para os estados 6px,y do Bi, e dos estados 4px,y do Se para os estados 6px,y do Bi. Assim, a estrutura local BiS(Se)6 dos compostos estudados é determinante para as propriedades ópticas. As eficiências espectroscópicas máximas limitadas obtidas foram de 32,2% para o NaBiS2 e 23,3% para o NaBiSe2. O valor para o NaBiS2 supera o da perovskita MAPbI3 (29,5%), que atualmente é um dos fotoferroicos mais eficientes, com eficiência experimental em torno de 20,3%. Combinando esses resultados com estimativas previamente publicadas para a polarização ferroelétrica e a mobilidade de portadores, esta tese revela o potencial inexplorado dos compostos ortorrômbicos NaBiS2 e NaBiSe2 para aplicação em dispositivos fotoferroicos e em células solares de nova geração. |
| Resumen : | Ferroelectric semiconductor compounds with photovoltaic properties (photoferroics) represent promising alternatives to conventional semiconductors used in solar cells, as they are not subject to the energy conversion efficiency limitation imposed by the ShockleyQueisser limit. In this context, this thesis investigates the potential of the compounds NaBiS2 and NaBiSe2, both with orthorhombic and ferroelectric structures, for applications in photoferroic devices. Density Functional Theory (DFT)-based calculations were conducted to explore their structural, electronic, and optical properties, employing the modified Becke-Johnson exchange potential for a more accurate description of the electronic structure and optical properties. Additionally, energy conversion efficiencies were estimated using the spectroscopic limited maximum efficiency method to assess the potential performance of these materials in photovoltaic cells. The results indicate that the direct band gap energies of NaBiS2 and NaBiSe2 are approximately 1.2 eV and 0.75 eV, respectively. NaBiS2 exhibits a band gap value considered ideal for photovoltaic applications under solar illumination, while NaBiSe2 shows a lower-than-expected value from a theoretical standpoint, yet still relevant for absorption in the near-infrared region. Both compounds display absorption coefficients in the visible spectrum range with intensities on the order of 105 cm−1, a favorable optical characteristic that allows the use of relatively thin lms to efficiently absorb sunlightan essential factor for high-performance devices. A pronounced optical anisotropy was also observed, associated with the electronic structure of both compounds. Visible light absorption mainly arises from transitions between the 3px,y states of S to the 6x,y states of Bi, and from the 4x,y states of Se to the 6x,y states of Bi. Thus, the local BiS(Se)6 structure of the studied compounds is crucial for their optical properties. The spectroscopic limited maximum efficiencies obtained were 32.2% for NaBiS2 and 23.3% for NaBiSe2. The value for NaBiS2 surpasses that of the perovskite MAPbI2 (29.5%), which is currently one of the most efficient photoferroics, with an experimental efficiency around 20.3%. Combining these results with previously published estimates for ferroelectric polarization and carrier mobility, this thesis reveals the unexplored potential of the orthorhombic compounds NaBiS2 and NaBiSe2 for application in photoferroic devices and next-generation solar cells. |
| Palabras clave : | Compostos ternários Estrutura eletrônica Espectros ópticos Fotoferroicos Cálculos DFT Ternary compounds Electronic structure Optical spectra Photoferroics |
| Patrocinio: | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES |
| Idioma : | por |
| Institución: | Universidade Federal de Sergipe (UFS) |
| Programa de Posgrado: | Pós-Graduação em Física |
| Citación : | MAIA, Luciano Paulo de Araújo. Estudo Ab-Initio das propriedades estruturais, eletrônicas, ópticas e fotovoltaicas dos compostos NaBiS2 e NaBiSe2. 2025. 93 f. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2025. |
| URI : | https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/24449 |
| Aparece en las colecciones: | Doutorado em Física |
Ficheros en este ítem:
| Fichero | Descripción | Tamaño | Formato | |
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