Chem. Mater.┃具有优异光电性质的二维无铅硫族钙钛矿材料

英文原题：Design of Lead-Free and Stable Two-Dimensional Dion–Jacobson-Type Chalcogenide Perovskite A'La₂B₃S₁₀ (A'=Ba/Sr/Ca; B=Hf/Zr) with Optimal Band gap, Strong Optical Absorption and High Efficiency for Photovoltaics

通讯作者：史俊杰，北京大学

作者：Yu-lang Cen（岑育朗）, Jun-jie Shi（史俊杰）,∗ Min Zhang（张敏）, Meng Wu（吴蒙）, Juan Du（杜娟）, Wen-hui Guo（郭文惠）, Shi-ming Liu（刘仕明）, Shu-peng Han（韩书朋）, Yao-hui Zhu（朱耀辉）

在能源危机的背景下，利用光伏发电生产可再生能源，是一条有竞争力的途径。作为太阳能电池的明星材料，有机-无机杂化卤化物钙钛矿MAPbI₃(MA=CH₃NH₃) 拥有合适的带隙、强的光吸收、很好的缺陷容忍度以及高的能量转换效率（PCE：25.2%）。然而，铅毒性及其在空气中的不稳定性极大地限制了MAPbI₃在光伏器件上的应用。自MAPbI₃发现以来，这两个缺点成为了光伏材料领域公认的难题。此外，根据Shockley Queisser (SQ)模型，太阳能电池吸光层的最优带隙为1.34 eV，MAPbI₃（1.55 eV）有约0.2 eV的能量损失谱。

为了克服卤化物钙钛矿的铅毒性和不好的稳定性以及进一步优化带隙，无铅硫化物钙钛矿最近引起了人们高度重视。由于离子价态的提高，硫化物钙钛矿的库仑相互作用是卤化物钙钛矿的4倍，同时B-S有部分共价键成分，使得硫化物钙钛矿比卤化物钙钛矿更加稳定。与传统氧化物钙钛矿相比，硫化物钙钛矿中S元素的3p轨道比O元素的2p轨道高，贡献了更高的价带顶，因此硫化物钙钛矿拥有更窄的带隙。目前，已经有很多实验合成及理论设计硫化物钙钛矿的例子，如Ca₃Sn₂S₇、Cs₃In₂I₉、CaTiS₃、BaZrS₃和SrSnS₃等。

北京大学物理学院史俊杰教授（点击查看介绍）课题组注意到：与三维钙钛矿相比，二维钙钛矿有更低的形成能且可使用疏水离子保护，因而拥有更好的结构稳定性。同时，二维钙钛矿具有多样的结构和成分，几乎可以穷尽元素周期表的所有元素，为新材料设计以及性能调控提供了一个理想的巨大平台。近日，他们基于强有力的第一性原理计算和设计，发现了一种无毒且稳定的二维硫化物钙钛矿A'La₂B₃S₁₀  (A'=Ba/Sr/Ca; B=Hf/Zr)，它具有太阳能电池最优带隙（~1.33 eV，BaLa₂Hf₃S₁₀）、超高的载流子迁移率（1.8-2.6×10³ cm²V^-1s^-1）、超强的光吸收（~6×105 cm^-1）和极高的PCE（~30.9%）。从效率、稳定性以及环境友好等各个方面超越了光伏明星材料MAPbI₃，为太阳能电池设计提供了一种新的方案。该研究拓宽了二维钙钛矿材料的设计思路，并将进一步促进光伏产业的发展。

图1.（左）二维DJ型硫化物钙钛矿A'La₂B₃S₁₀  (A'=Ba/Sr/Ca; B=Hf/Zr)的结构，（中）BaLa₂Hf₃S₁₀的电子能带结构以及载流子迁移率，（右）BaLa₂Hf₃S₁₀与MAPbI₃的光吸收系数及理论能量转换效率（PCE）对比。

这一成果近期发表在Chemistry of Materials 上，北京大学博士生岑育朗为文章的第一作者，史俊杰教授为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Design of Lead-Free and Stable Two-Dimensional Dion–Jacobson-Type Chalcogenide Perovskite A'La₂B₃S₁₀ (A'=Ba/Sr/Ca; B=Hf/Zr) with Optimal Band gap, Strong Optical Absorption and High Efficiency for Photovoltaics

Yu-lang Cen, Jun-jie Shi*, Min Zhang, Meng Wu, Juan Du, Wen-hui Guo, Shi-ming Liu, Shu-peng Han, Yao-hui Zhu

Chem. Mater., 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b04985

Publication Date: February 25, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

导师介绍

史俊杰

https://www.x-mol.com/university/faculty/61767

（本稿件来自ACS Publications）