Adv.Energy Mater.:有著理想光吸收和最佳帶隙的硫屬鈣鈦礦光伏器件
【引言】
鈣鈦礦是一類有著高度對稱密堆積結構的材料，由于其化學和物理性能的多樣性在近十年有著廣泛地研究。過去幾年中，無機-有機鹵化物鈣鈦礦受到了巨大的關注并且在2009年Kojima最初的報道了發表了相關重大突破。至今，多晶薄膜鈣鈦礦光伏器件的功率轉換效率可超過22.1%，然而，在鈣鈦礦光伏器件的大規模商業應用上仍然存在一些問題，比如主要的鉛元素有毒和不穩定等。為了解決這些問題，鈣鈦礦太陽能電池領域引入了無毒性元素和更高結構穩定性的無機無鉛鈣鈦礦。當前使用的太陽能電池半導體材料大多數是四配位四面體網絡結構，鈣鈦礦是ABX3型，可以通過替換A,B,X位點原子改變材料性能，這種鈣鈦礦結構的適應性使用在四配位半導體材料中時可以很好地發揮優勢。最近，報道了一些關于預測和合成過渡金屬硫屬鈣鈦礦的理論報道和實驗研究。
【成果簡介】
最近，中國科學技術大學、內布拉斯加大學林肯分校的曾曉成教授（通訊作者）在Advanced Energy Materials上發表題目為 “Perovskite Chalcogenides with Optimal Bandgap and Desired Optical Absorption for Photovoltaic Devices”的文章，文章介紹了一系列硫屬鈣鈦礦基于第一原則計算的綜合分析，作者預測SrSnSe3和SrSnS3由于他們合適的直接帶隙最佳范圍在0.9-1.6V并且光吸收性能優異、載流子遷移率高，因而是未來很有前景的太陽能電池材料。
【圖文導讀】
圖1 ABX3型硫屬鈣鈦礦
(a) ABX3型硫屬鈣鈦礦晶體結構，既和完美的鈣鈦礦結構不同也和有序的鈣鈦礦結構不同；
(b) 有著優異戈爾德施密特容許因子硫屬鈣鈦礦的計算電子能隙。
圖2 不同帶隙復合物的計算光吸收圖譜
(a) 一些無序鈣鈦礦結構預測材料的計算光吸收圖譜，和原型Si 、MAPbI3光吸收圖譜進行對比，MAPbI3的吸收效率通過PBE功能計算得到且忽略自旋軌道耦合效應；
(b) 無序鈣鈦礦結構SrSnSe3帶隙結構計算，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)參考第一布里淵區的高對稱特殊點；
(c) 無序鈣鈦礦結構SrSnSe3的計算DOS和投影DOS。
圖3 SrSnSe3中陰離子局部替代將Se替換為S
(a)混合S和Se的硫屬鈣鈦礦 SrSnxSe3-x晶體結構示意圖；
(b) 一系列無序鈣鈦礦結構SrSnxSe3-x混合復合物的計算光吸收圖譜；
(c) 一系列無序鈣鈦礦結構SrSnxSe3-x復合物的計算光吸收圖譜；
(d)無序鈣鈦礦結構SrSn2.5Se0.5復合物的計算能帶結構；
(e)無序鈣鈦礦結構SrSn2.5Se0.5復合物的計算DOS和投影DOS。
圖4 ASn0.5Ge0.5X3的光吸收圖譜
(a)混合Sn和Ge的硫屬鈣鈦礦ASn0.5Ge0.5X3晶體結構示意圖；
(b) 一系列無序鈣鈦礦結構ASn0.5Ge0.5X3混合復合物的計算帶隙；
(c) 一系列無序鈣鈦礦結構CaSn0.5Ge0.5X3復合物的計算光吸收圖譜；
(d) 一系列無序鈣鈦礦結構CaSn0.5Ge0.5X3復合物的計算能帶結構；
?(e)無序鈣鈦礦結構CaSn0.5Ge0.5X3復合物的計算DOS和投影DOS。
【小結】
文章中作者對一些列硫屬鈣鈦礦材料進行了綜合性探索，對一組化合物進行了直接帶隙計算、光吸收圖譜和載流子遷移率探索，無序鈣鈦礦結構SrSnS3, SrSnSe3,和CaSnS3被認為是一種很有前途的薄膜太陽能電池吸收材料，其中， SrSnSe3的吸收圖譜和MAPbI3可相比，還具有相對較小的有效質量；SrSnSe3呈現的優異性能使其成為潛在的高效太陽能吸收材料。同時，研究者們介紹了一種元素混合策略，可以利用此方法調控硫屬鈣鈦礦的帶隙和光吸收，特別的是可以用于設計串聯光伏器件。
原文鏈接：Perovskite Chalcogenides with Optimal Bandgap and?Desired Optical Absorption for Photovoltaic Devices.(Advanced Energy Materials, 2017,?)
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