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 Photoactive materials from theory 

Our group is interested in designing new photovoltaic/photocatalytic materials using theory, and investigating their photodynamics.

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본 연구실에서는 이론적으로 태양 전지 혹은 광촉매 소재를 설계하고, 이러한 광활성 소재에서 일어나는 광 동역학 현상을 이해하는 연구를 진행 중 입니다.

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I. Perovskite solar cell materials​

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Using a multiscale simulation method combining DFT and electromagnetic wave simulations, we theoretically proposed Cs2Au2I6 as a potential material for thin‐film lead‐free photovoltaic cells with ultrahigh efficiency.  Because of the mixed valence character of Cs2Au2I6, the charge disproportionation on Au brings a symmetry breaking, which lowers the conduction band level to bring the bandgap close to the Shockley–Queisser value. We are also modeling the thermodynamic stability and photodynamics of lead-halide perovskite materials.
 

일례로 DFT와 전자기학 시뮬레이션을 결합하는 멀티스케일 시뮬레이션을 이용하여 납 성분이 없는 Cs2Au2I6라는 물질을 고성능 페로브스카이트 태양 전지용 후보 물질로 제안하는 연구를 한 경험이 있습니다. Cs2Au2I6 물질은 격자 구조 내에서 서로 다른 Jahn-Teller 뒤틀림을 통한 대칭 깨짐을 통해 Au(I)와 Au(III)의 두 가지 산화수의 금 원자를 가지고 있는 특이한 물질이고, 이러한 성질은 conduction 밴드를 아래로 낮추어 작은 밴드갭을 갖게 합니다. 작은 밴드갭은 태양광에서 장파장 가시광선을 효과적으로 흡수하는 것을 도와주어 태양 전지 소재로 이용할 경우 높은 효율을 가질 수 있게 됩니다. 또한 일반적으로 널리 사용되는 납-할로겐 페로브스카이트 물질의 열역학적 안정성이나 광 동역학 특성에 대해서도 이론적 연구를 수행하고 있습니다.

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perovskite.png

2. Photo(electro)catalysts

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We investigate the photoactivation mechanism of photo(electro)catalysts. For example, we have elucidated an intriguing photoactivation mechanism of a single-atom Cu embedded TiO2 system. Interestingly, this system experimentally demonstrates a color-change from white to black after photoexcitation, which is manifested by the reversible valence change of the Cu site. Our DFT calculation finds that the embedded Cu sites provide mid-gap states, where the photogenerated electrons are localized, and the photo-reduced Cu atom undergoes a Jahn-Teller distortion which distorts the lattice structure. We are also developing new simulation methodologies to accurately predict the band edge positions of photo(electro)catalysts in solution.

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본 연구실에서는 광(전기) 촉매의 광활성 메커니즘에 관한 이론적 연구도 하고 있습니다. 일례로 단일 원자 Cu가 도핑되어 있는 TiO2 광촉매 시스템이 빛을 받게 되면 색깔이 흰색에서 검은색으로 변하는 현상이 실험적으로 관측된 바가 있습니다. 이러한 신기한 광활성 메커니즘을 DFT 계산을 활용하여, 단일 원자 Cu의 전자 준위와 빛을 통한 Cu 산화수 변화, 그리고 여기에 수반된 구조적 뒤틀림으로 설명하였습니다. 뿐만 아니라 수용액 속에서의 광(전기) 촉매 물질의 정확한 밴드 위치와 밴드갭을 예측하기 위한 새로운 방법론 개발도 진행하고 있습니다.

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