Estudio teórico de Perovskitas híbridas órganicas-inórganicas halogenadas mediante cálculos no periódicos: un enfoque combinado XTB, TD-DFT, y Oniom

Abstract

En este trabajo se presenta un estudio teórico de perovskitas de interés fotovoltaico haciendo uso de los métodos de la química computacional. Concretamente se ha abordado el estudio de las propiedades estructurales y optoelectrónicas de la perovskita híbrida orgánica e inorgánica MAPI (Yoduro de Plomo y Metilamonio) mediante cálculos no periódicos, concretamente combinando aproximaciones xTB, DFT y ONIOM. Para ello se han definido sistemas modelo de diverso tamaño (conteniendo entre 204 y 2175 átomos) respetando el entorno químico de cada uno de los átomos y aplicando un criterio de electroneutralidad. En primer lugar, la estructura de todos los sistemas se optimizó a nivel GFN2-xTB. A continuación, las propiedades optoelectrónicas se han estudiado a nivel PBE0. Para los sistemas de mayor tamaño (más de 1000 átomos) se ha aplicado una metodología ONIOM, en la cual la región de interés se ha estudiado a nivel PBE0-D4/Def2-TZVP, mientras que se ha tenido en cuenta la polarización del entorno a nivel GFN2-xTB. Nuestros resultados muestran que los métodos xTB son adecuados para un análisis de las propiedades estructurales mediante cálculos no periódicos con una mejora en el uso de los recursos computacionales. Además, la metodología ONIOM para estudiar las propiedades optoelectrónicas permite calcular de forma precisa las propiedades optoelectrónicas.

The structural and optoelectronic properties of the organic-inorganic hybrid perovskite MAPI (Methylammonium Lead Iodide) were investigated using computational chemistry methods. This study leverages non-periodic calculations by combining xTB, DFT, and ONIOM approaches. Firstly several clusters model systems (ranging from 204 to 2175 atoms) were built ensuring chemical integrity and electroneutrality. All structures were first optimized at the GFN2-xTB level, after which their optoelectronic properties were studied at the PBE0 level. For larger systems (>1000 atoms), a two-layer ONIOM scheme was employed, treating the core region with PBE0-D4/Def2-TZVP and the polarizing environment with GFN2-xTB. Our findings demonstrate that xTB methods provide an efficient and reliable approach for structural optimization in non-periodic models. Moreover, the ONIOM approach significantly enhances the accuracy of the calculated optoelectronic properties, presenting a robust methodology for studying perovskite-based materials systems.