Adv.Energy Mater.:有着理想光吸收和最佳带隙的硫属钙钛矿光伏器件

【引言】

钙钛矿是一类有着高度对称密堆积结构的材料，由于其化学和物理性能的多样性在近十年有着广泛地研究。过去几年中，无机-有机卤化物钙钛矿受到了巨大的关注并且在2009年Kojima最初的报道了发表了相关重大突破。至今，多晶薄膜钙钛矿光伏器件的功率转换效率可超过22.1%，然而，在钙钛矿光伏器件的大规模商业应用上仍然存在一些问题，比如主要的铅元素有毒和不稳定等。为了解决这些问题，钙钛矿太阳能电池领域引入了无毒性元素和更高结构稳定性的无机无铅钙钛矿。当前使用的太阳能电池半导体材料大多数是四配位四面体网络结构，钙钛矿是ABX₃型，可以通过替换A,B,X位点原子改变材料性能，这种钙钛矿结构的适应性使用在四配位半导体材料中时可以很好地发挥优势。最近，报道了一些关于预测和合成过渡金属硫属钙钛矿的理论报道和实验研究。

【成果简介】

最近，中国科学技术大学、内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授（通讯作者）在Advanced Energy Materials上发表题目为“Perovskite Chalcogenides with Optimal Bandgap and Desired Optical Absorption for Photovoltaic Devices”的文章，文章介绍了一系列硫属钙钛矿基于第一原则计算的综合分析，作者预测SrSnSe₃和SrSnS₃由于他们合适的直接带隙最佳范围在0.9-1.6V并且光吸收性能优异、载流子迁移率高，因而是未来很有前景的太阳能电池材料。

【图文导读】

图1 ABX₃型硫属钙钛矿

(a) ABX₃型硫属钙钛矿晶体结构，既和完美的钙钛矿结构不同也和有序的钙钛矿结构不同；

(b) 有着优异戈尔德施密特容许因子硫属钙钛矿的计算电子能隙。

图2不同带隙复合物的计算光吸收图谱

(a) 一些无序钙钛矿结构预测材料的计算光吸收图谱，和原型Si 、MAPbI₃光吸收图谱进行对比，MAPbI₃的吸收效率通过PBE功能计算得到且忽略自旋轨道耦合效应；

(b) 无序钙钛矿结构SrSnSe₃带隙结构计算，Г(0.0,0.0,0.0), X(0.0,0.0,0.5),R(0.5,0.5,0.5),T(0.0,0.5,0.5),Y(0.0,0.5,0.0),和M(0.5,0.5,0.0)参考第一布里渊区的高对称特殊点；

(c) 无序钙钛矿结构SrSnSe₃的计算DOS和投影DOS。

图3SrSnSe₃中阴离子局部替代将Se替换为S

(a)混合S和Se的硫属钙钛矿 SrSn_xSe_3-x晶体结构示意图；

(b) 一系列无序钙钛矿结构SrSn_xSe_3-x混合复合物的计算光吸收图谱；

(c) 一系列无序钙钛矿结构SrSn_xSe_3-x复合物的计算光吸收图谱；

(d)无序钙钛矿结构SrSn_2.5Se_0.5复合物的计算能带结构；

(e)无序钙钛矿结构SrSn_2.5Se_0.5复合物的计算DOS和投影DOS。

图4 ASn_0.5Ge_0.5X₃的光吸收图谱

(a)混合Sn和Ge的硫属钙钛矿ASn_0.5Ge_0.5X₃晶体结构示意图；

(b) 一系列无序钙钛矿结构ASn_0.5Ge_0.5X₃混合复合物的计算带隙；

(c) 一系列无序钙钛矿结构CaSn_0.5Ge_0.5X₃复合物的计算光吸收图谱；

(d) 一系列无序钙钛矿结构CaSn_0.5Ge_0.5X₃复合物的计算能带结构；

(e)无序钙钛矿结构CaSn_0.5Ge_0.5X₃复合物的计算DOS和投影DOS。

【小结】

文章中作者对一些列硫属钙钛矿材料进行了综合性探索，对一组化合物进行了直接带隙计算、光吸收图谱和载流子迁移率探索，无序钙钛矿结构SrSnS₃, SrSnSe₃,和CaSnS₃被认为是一种很有前途的薄膜太阳能电池吸收材料，其中， SrSnSe₃的吸收图谱和MAPbI3可相比，还具有相对较小的有效质量；SrSnSe₃呈现的优异性能使其成为潜在的高效太阳能吸收材料。同时，研究者们介绍了一种元素混合策略，可以利用此方法调控硫属钙钛矿的带隙和光吸收，特别的是可以用于设计串联光伏器件。

原文链接：Perovskite Chalcogenides with Optimal Bandgap and Desired Optical Absorption for Photovoltaic Devices.(Advanced Energy Materials, 2017,DOI:10.1002/aenm.201700216)

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