【材料】新型无铅钙钛矿能源材料

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注：文末有本文作者科研思路分析

随着全球经济的发展以及人口的逐渐增加，人们对于能源的需求也在迅速增长。然而，现阶段全球主要的能源供应来源于煤、石油、天然气等化石燃料，储量有限但能源消耗却迅速增加，由此引发的能源枯竭问题对全球经济社会发展的制约日益凸显。与此同时，化石燃料的燃烧和排放也带来一系列的环境和气候问题，例如，二氧化碳的大量排放导致全球气候变暖，引起海平面上升、局部地区的气候异常等。而燃烧不完全的颗粒也会导致雾霾气候，对人类的健康和生活造成很多负面的影响。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，具有经济、环保、可再生的特点，作为化石能源的替代品得到了日益重视和广泛的研究。其中太阳能电池可以将太阳能转换为电能便于运输、存储和使用，因而备受人们的关注。

钙钛矿是一类具有高度对称紧密堆积结构的材料，化学和物理性质多样，在过去的数十年里得到了广泛的研究。近年来，基于无机有机杂化钙钛矿的太阳能电池得到了前所未有的关注，多晶薄膜钙钛矿光伏器件的功率转换效率已经超过22.1％，但目前杂化钙钛矿材料的稳定性很差，暴露在光照、受热或者与水/氧气接触的条件下极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，使用不当将会污染环境，也会损害人体的健康，这些问题极大地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，基于无毒元素兼具较高结构稳定性的无机无铅钙钛矿引入钙钛矿太阳能电池领域，并引起了研究人员的极大关注。

基于以上问题，美国内布纳斯加大学林肯分校的曾晓成教授（也是千人计划B教授）研究小组利用第一原理理论计算对一系列无铅硫族钙钛矿材料进行深入的研究，通过计算这些钙钛矿材料的带隙和光吸收谱，发现RbSn_0.5Ge_0.5I₃钙钛矿具有适宜的直接带隙（在0.9-1.6 eV的最佳光转换效率范围内）以及优越的光学吸收性能（接近甚至优于CH₃NH₃PbI₃）。进一步的研究发现该类材料也具有良好的稳定性、载流子迁移性能以及较低的激子结合能。基于这些优良的性质，该材料有望成为理想的太阳能电池吸收层材料。此外，元素混合策略能够调节钙钛矿的带隙，进而服务于特定领域的应用（如串联光伏器件）。

相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是内布纳斯加大学林肯分校的博士后巨明刚。

该论文作者为：Ming-Gang Ju, Jun Dai, Liang Ma and Xiao Cheng Zeng

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Lead-free Mixed Tin and Germanium Perovskites for Photovoltaic Application

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8038, DOI: 10.1021/jacs.7b04219

导师介绍

曾晓成

http://www.x-mol.com/university/faculty/26818

科研思路分析

Q：这项研究最初是目的？或者说想法是怎么产生的？

A：众所周知，太阳能是一种取之不竭、用之不尽的清洁能源。最近，以有机无机杂化钙钛矿为代表的新一代太阳能电池取得了重大的突破，光转换效率已经超过22%。然而，由于此类材料含有重金属Pb，具有毒性，同时由于该材料含有有机分子，具有不稳定性，这两种缺陷极大地限制了其商业应用。我们希望在发展钙钛矿材料无铅特性的同时又赋予其良好的稳定性。已有的研究发现混合不同的元素可以极大地提高这类材料的稳定性。因此，我们可以利用无毒同时又与Pb具有相似物理化学性质的元素来代替Pd。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：我们使用与Pb同族的元素Sn和Ge按照1:1的比例混合来探究符合我们要求的材料。太阳能电池的吸收层材料需要具有良好的光吸收、适宜的带隙以及良好稳定性。随后我们对大量的材料进行筛选，通过理论模拟找到了合适的材料，在进行大量计算模拟的同时，还需要不断利用已有的数据调整搜索范围，这些都需要大量的时间和计算资源。我们希望未来能借助人工智能提高我们的研究进度。

Q：该研究成果最有可能有哪些重要应用？哪些领域的企业或研究机构有可能从该成果中获得帮助？

A：我们通过理论模拟预测了一系列符合要求的材料。接下来我们将与实验研究团队合作，希望通过实验合成得到相应的光伏器件并进一步做深入的研究。如果考察的材料效率较高、稳定性较好，我们将为下一步的商业应用做好准备。

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