金属卤化物钙钛矿太阳能电池材料的理论研究进展

自从Miyasaka等人首次将CH3NH3PbBr3用于染料敏化太阳能电池，基于铅卤化物钙钛矿的太阳能电池的效率从2009年CH3NH3PbBr3基染料敏化太阳能电池的3.8%快速地增加到2016年CH3NH3PbI3基薄膜太阳能电池的22.1%；如此进展在太阳能电池发展历史上尚属首次。铅卤化物钙钛矿太阳能电池的极佳器件性能主要归功于吸收材料的优异的光伏特性，比如极高的光学吸收系数、均衡的电子和空穴迁移率、超长的光生载流子扩散长度和寿命、低的缺陷密度、小的激子结合能和极小的Urbach能。在过去数年，有大量理论研究致力于揭示铅卤化物钙钛矿优异的光伏特性的基本机理。举例来说，已发现高的结构对称性、高的电子维度、铅(II)离子的独特电子构型（比如，铅的6s孤对电子、强的自旋轨道耦合效应等）、极性有机阳离子的排列、卤化物的离子特性等都对铅卤化物钙钛矿的优异光伏特性有重要的作用。

最近，美国托莱多大学肖泽文博士和鄢炎发教授详细总结了金属卤化物钙钛矿太阳能电池材料的理论研究进展。作者在文章第二部分讲述了钙钛矿结构相关的诸多效应；例如（2.1）钙钛矿结构的形成能力（即稳定性）、（2.2）铅基卤化物钙钛矿的基本电子结构、（2.3）对称性降低和破坏对电子结构的影响、（2.4）低维卤化物钙钛矿的电子结构、以及（2.5）电子维度概念。作者在文章的第三部分特别强调了钙钛矿结构中铅（B位置）的独特电子特性；包括（3.1）自旋轨道耦合和（3.2）6s2 6p0电子构型对铅卤化物高的光学吸收和缺陷容忍特性的重要作用。在文章的第四部分，作者总结了一些由有机阳离子（A位置，比如CH3NH3+）引起的可能对铅卤化物钙钛矿的长的载流子寿命有贡献的效应；比如，Rashba效应、铁电效应、载流子局域化效应。在文章的第五部分，作者讲述了卤素阴离子（X位置）相关的效应（比如离子迁移）。最后，作为对比，作者在文章的第六部分，综述了无铅卤化物钙钛矿太阳能电池材料的理论研究进展，特别揭示了各种无铅卤化物钙钛矿无法具有类似铅卤化物钙钛矿的优异光伏特性的根本原因。该综述展示了理论研究对于理解铅卤化物钙钛矿太阳能电池材料的优异特性以及设计开发新的无铅钙钛矿太阳能电池材料等方面具有重要的作用和意义。

该工作发表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201701136）上，并被收录到Advanced Energy Materials的Excellence in Energy系列里。

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