无铅钙钛矿硫化物半导体

随着全球经济的发展以及人口的逐渐增加,对于能源的需求也在迅速的增长。然而,现在全球主要能源供应主要是煤、石油、天然气等化石燃料。其储量有限而能源消耗却迅速增加,能源枯竭问题终将成为全球经济社会发展的制约。与此同时,化石燃料的燃烧和排放也带来了一系列环境和气候问题。比如,二氧化碳的大量排放导致全球气候变暖,引起北极冰的逐渐消失,局部地区气候异常等。而大量未燃烧完全的颗粒也会导致雾霾天气增多。这些将对人类的健康和生存造成了极大的负面影响。而太阳能是已知的一种取之不尽的清洁能源,它具有可靠、可再生等特点,作为化石能源的替代能源因而得到了与日俱增的重视和广泛研究。其中,而太阳能电池由于其可以将太阳能转换为电能从而便于输运、存储和使用而备受关注。

钙钛矿是一类具有高度对称的紧密堆积结构的材料,由于其化学和物理性质的多样性,在过去的数十年中已被广泛研究。近几年来,基于无机有机杂化钙钛矿的太阳能电池吸引了巨大的关注,多晶薄膜钙钛矿光伏器件的功率转换效率已经超过22.1%。但是目前杂化钙钛矿材料的稳定性还是非常差,当暴露在光照下以及在受热或者与水/氧气接触的情况下很容易在短时间内降解失效。另外,目前主流的杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)含有有毒的重金属元素铅,不仅将污染环境,也会损害人的健康。这些问题制约了钙钛矿光伏器件的大规模商业应用。为了解决这些问题,基于无毒元素并兼具较高的结构稳定性的无机无铅钙钛矿已被引入到钙钛矿太阳能电池领域,并且引起了研究人员极大的关注。

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基于以上问题,美国内布纳斯加大学林肯分校曾晓成讲席教授领导的研究小组利用第一原理理论计算对于一系列无铅硫族钙钛矿材料进行了深入研究。通过计算这些钙钛矿材料的带隙和光吸收谱,发现SrSnSe3和SrSnS3钙钛矿具有适宜的直接带隙(在0.9-1.6eV的最佳光转换效率范围内)以及非常好的光学吸收性能(接近甚至优于CH3NH3PbI3)。进一步的研究发现它们也具有良好的稳定性,较好的载流子迁移性能以及较低的激子结合能。这些优良的性质使这两种种材料有希望成为优异的太阳能电池吸收层材料。此外,通过元素混合策略能够将钙钛矿硫化物的带隙进行调节,进而可以作为特定的应用,例如串联光伏器件。

相关研究成果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700216)上。第一作者是内布纳斯加大学林肯分校的巨明刚博士。