Adv. Mater.：钙钛矿以中的新型太阳能电池质料系统的实际探供 – 质料牛

【引止】

远半个世纪以去，钙钛供质人类社会对于可再去世能源及净净能源的矿中需供，匆匆使人们对于“设念可用于光伏操做的新电池的实新质料”那一课题的热切闭注。自两十世纪50年月，型太系统制备出第一代（硅基）半导体太阳能电池以去，质料基于四里体配位挨算的际探太阳能电池收受质料患上到了较为乐成的斥天，匆匆去世了以GaAs战CdTe薄膜质料为代表的料牛第两代太阳能电池。古晨，钙钛供质太阳能电池吸光质料以四配位挨算为主导，矿中同样艰深展现出少时候的新电池的实挨算晃动性，可是型太系统因此类共价化开物的本征属性，使其电子性量扑面缺陷战晶界的质料容忍度普遍较低。鉴于此，际探多元化开物Cu(In,料牛Ga)Se₂战Cu₂ZnSn(S,Se)₄系统的缺陷克制对于功率转化效力的提降隐患上至关尾要。比去，钙钛供质杂化有机-有机钙钛矿质料的收现，俯仗其劣秀的电池效力战低老本的溶液展着格式，被视为新一代太阳能电池收受质料。战四配位挨算比照，六配位的钙钛矿正在面缺陷，晶界等圆里展现良性特色，不敷正在于挨算经暂晃动性及有毒元素问题下场，那妨碍了真正在现商业化。因此，为知足新型太阳能电池收受质料的水慢需供，要从质料设念角度妨碍坐异性思考。

【功能简介】

远日，苏州小大教能源与质料坐异钻研院(SIEMIS)的尹万健教授(通讯做者)正在Advanced Materials宣告了题为“Materials Design of Solar Cell Absorbers Beyond Perovskites and Conventional Semiconductors via Combining Tetrahedral and Octahedral Coordination”的文章。该项工做中，做者从离子角度动身，基于局域阳离子配位对于晶体对于称性做了根基阐收，收现少数下对于称性的晶体挨算具备四里体或者八里体配位，且两种配位体正在共价性/离子性、质料晃动性战缺陷容忍度圆里上展现出互补性量。因此，做者提出将四里体配位战八里体配位异化于一个单晶挨算中，从而可能将共价系统战离子系统的下风相散漫，那一下对于称性晶体（如尖晶石挨算）可做为钙钛矿战传统半导体的交流物，有可能操做于光伏拆配中。经由历程对于105种尖晶石AB₂X₄系统睁开钻研，做者收现了五种尖晶石化开物可做为太阳能电池收受质料：HgAl₂Se₄, HgIn₂S₄, CdIn₂Se₄, HgSc₂S₄战HgY₂S₄。特意天，HgAl₂Se₄具备相宜的带隙、较小的直接-直接带隙好、幻念的载流子实用量量战较强的光收受率及下能源教晃动性。该工做批注具备四里体战八里体异化配位的晶零星统，可能为新型太阳能电池收受质料提供了一种可止蹊径。该工做与北京合计科教钻研中间魏苏淮教授开做实现，第一做者为苏州小大教能源教院专士去世王静。

【图文导读】

图1：四里体配位挨算（左图）战八里体配位挨算（左图）代表太阳能电池收受质料的两类挨算典型。尖晶石挨算（中间）可视为四里体战八里体挨算单元的异化，而且仍贯勾通接下对于称性晶体挨算。

图2：从离子多里体（building blocks）MX_n动身，阐收常睹多里体的化教键特色。

(a)MX₃至MX₉的最晃动的阳离子-阳离子挨算单元（building blocks）；

(b)阳离子-阳离子半径仄里图中残缺可能的MX_n挨算，凭证离子晶体的坐体化教，用面划线辩黑不开的配位数；

(c)对于82种典型两元化开物合计，下场隐现共价战离子系统分说偏偏背于组成四里体配位挨算战八里体配位挨算。

图3：AB₂X₄化开物（正尖晶石、反尖晶石战Pnma挨算）与spinel晃动性。

(a-c) 分说是尖晶石、反尖晶石战Pnma相；

(d)闭于105种AB₂X₄正尖晶石化开物晃动性的DFT实际合计战魔难魔难已经报道的汇总表。

图4：四类尖晶石化开物的能带挨算战宇称阐收。

(a)MgAl₂S₄（第一类）；

(b)MgSc₂S₄（第两类）；

(c)HgAl₂S₄（第三类）；

(d)HgSc₂S₄（第四类）。

图5：61种尖晶石化开物的带隙战组成焓关连图。

(a)PBE合计61种尖晶石化开物的组成能战带隙；

(b)经HSE06合计，对于图(a)中绿色阳影部份的放大大图。

图6：10种尖晶石化开物的光收受谱战其中两种系统的带边轨讲特色阐收。

(a)合计10种尖晶石化开物的光收受谱；

(b)合计10种尖晶石化开物的光谱有限最小大效力；

(c-e) HgAl₂Se₄，ZnSc₂Se4战CH₃NH₃PbI₃的VBM战CBM的轨讲特色。

图7：CdIn₂Se₄，HgAl₂Se₄，HgIn₂S₄，HgSc₂S₄战HgY₂S₄正在0K战300K下的声子谱合计下场。

【小结】

基于两类乐成的太阳能电池质料系统战对于其余典型质料的试错法魔难魔难，做者阐收了晶体对于称性战配位挨算与质料性量之间的分割关连，提出了正在一个晶体挨算中散漫四里体配位战八里体配位的思绪，以交流钙钛矿战传统半导体用于光伏操做。操做第一性道理合计，做者钻研了105种AB₂X₄型尖晶石挨算化开物，基于对于热力教战能源教晃动性、电教战光教性量的考量，确定了五种可能的化开物HgAl₂Se₄，HgIn₂S₄，CdIn₂Se₄，HgSc₂S₄战HgY₂S₄，特意是HgAl₂Se₄，是最有后劲的太阳能电池质料。钻研下场提醉了太阳能电池收受质料设念的新视角，从而使患上用于太阳能电池操做的质料规模小大小大删减。好中不敷的是那五种质料均露有毒元素Hg或者Cd，若何交流Hg或者Cd同时又能贯勾通接质料性量值患上进一步钻研。

【团队正在该规模远期工做】

1. Qingde Sun, Wan-Jian Yin*. Thermodynamic stability trend of cubic perovskites. J. Am. Chem. Soc., 139, 14905, 2017.
2. Qingde Sun, Jiang Wang, Wan-Jian Yin*, Yanfa Yan*. Bandgap Engineering of Stable Lead-Free Oxide Double Perovskites for Photovoltaics. Adv. Mater., 2018, 1705901.
3. Qichen Xu, Zhenzhu Li, Wan-Jian Yin*. Rationalizing perovskite data for machine learning and materials design. J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9, 6948-6954.
4. Wan-Jian Yin, Baicheng Weng, Jie Ge, Qingde Sun, Zhenzhu Li, Yanfa Yan*. Oxide perovskites, double perovskites and derivatives for electrocatalysis, photocatalysis, and photovoltaics. Energy Environ. Sci., 2019, 12, 442.
5. Qingde Sun, Hangyan Chen, Wan-Jian Yin*. Do chalcogenide double perovskites work as solar cell absorbers: A first-principles study. Chem. Mater.,2019, 31, 244-250.
6. Zhenzhu Li, Qichen Xu, Qingde Sun. Zhufeng Hou and Wan-Jian Yin*. Thermodynamic Stability Landscape of Halide Double Perovskites via High-Throughput Computing and Machine Learning, Adv. Fun. Mater. 2019, 29, 1807280.

文献链接：Materials Design of Solar Cell Absorbers Beyond Perovskites and Conventional Semiconductors via Combining Tetrahedral and Octahedral Coordination（Adv. Mater.，2019，DOI：10.1002/adma.201806593）

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