發(fā)展高效、環(huán)境友好的太陽能電池材料是解決能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵途徑。通過近十多年的發(fā)展，鈣鈦礦太陽能電池的效率已高達(dá)27%，成為了廣泛關(guān)注的新一代太陽能電池材料。 然而，目前高效的鈣鈦礦太陽能電池均含鉛元素，具有毒性。因而，發(fā)展無毒的高效鈣鈦礦材料具有非常重要的意義。當(dāng)前，錫基鈣鈦礦被視為最有希望替代鉛基鈣鈦礦成為高效、環(huán)境友好的太陽能電池材料。但錫基鈣鈦礦是否能達(dá)到與鉛基鈣鈦礦相媲美的能量轉(zhuǎn)換效率仍舊存疑。 近日，西北工業(yè)大學(xué)的張燮教授和美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的Chris G. Van de Walle院士合作，以典型的錫基鈣鈦礦CsSnI3為研究對象，通過第一性原理方法精確計(jì)算了CsSnI3的本征缺陷及其引起的載流子非輻射復(fù)合速率。研究表明，錫基鈣鈦礦中缺陷誘導(dǎo)的載流子非輻射速率比對應(yīng)的鉛基鈣鈦礦高出了一個(gè)數(shù)量級，從而使得效率與毒性之間出現(xiàn)了一個(gè)難以兼顧的倒置關(guān)系。這一認(rèn)知對于高效、環(huán)境友好的鈣鈦礦電池材料的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。
作者首先計(jì)算了CsSnI3穩(wěn)定的化學(xué)勢區(qū)間及所有本征點(diǎn)缺陷的形成能。結(jié)果表明，CsSnI3存在著較多形成能非常低的缺陷，且含有較多可能作為非輻射復(fù)合中心的深能級缺陷。但與CsPbI3對比發(fā)現(xiàn)，CsSnI3中的深能級缺陷與CsPbI3存在顯著的不同。究其原因，主要是因?yàn)镃sPbI3與CsSnI3的帶邊位置存在巨大的偏移，從而使得CsPbI3中的深能級缺陷（如碘間隙Ii）在CsSnI3中不再是深能級缺陷。 緊接著，作者對關(guān)鍵的深能級缺陷的非輻射復(fù)合速率進(jìn)行了精確的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：ISn(碘占據(jù)錫位的反位缺陷)是一個(gè)非常重要的非輻射復(fù)合中心，其非輻射俘獲系數(shù)比CsPbI3中的關(guān)鍵缺陷(Ii)高出了一個(gè)數(shù)量級。 這就意味著盡管錫基鈣鈦礦無毒，但它很難達(dá)到與鉛基鈣鈦礦相媲美的能量轉(zhuǎn)換效率。研究的重心應(yīng)轉(zhuǎn)向錫基以外的環(huán)境友好型鈣鈦礦材料。這為未來該領(lǐng)域的研究指明了方向。
論文信息 Trade-Off Between Toxicity and Efficiency in Tin- versus Lead-Based Halide Perovskites Prof. Xie Zhang, Dr. Jimmy-Xuan Shen, Dr. Mark E. Turiansky, Prof. Chris G. Van de Walle 文章的第一作者為西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院的張燮教授 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202500557
