李焕新&罗炳程教授等人Adv.Sci.：理论预测光伏应用的全无机无铅钙钛矿材料Rb3Mo2Br9和Rb3Mo2Cl9

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【研究背景】

铅基有机-无机杂化钙钛矿由于其极高的能量转换效率，在光伏材料领域具有很好的应用前景。然而，铅毒性和有机阳离子基团的稳定性问题限制了它们的应用。为了解决这些问题，需要设计更优的全无机无铅卤化物钙钛矿实现更加广泛的光伏应用。本研究探索了两种层状钙钛矿衍生物Rb₃Mo₂Cl₉和Rb₃Mo₂Br₉，利用密度泛函理论研究了它们的光电特性，阐明了其组成、结构和性能的内在机制。这些材料作为光电元件在推进钙钛矿太阳能电池技术方面具有重要的前景，是开发无铅无机钙钛矿材料的关键步骤。

【工作简介】

近日，李焕新&罗炳程教授等人在太阳能电池材料研究方面取得新进展，在期刊Advanced Science联合发表了关于全无机无铅钙钛矿材料Rb₃Mo₂Br₉和Rb₃Mo₂Cl₉的光伏应用预测的文章（A Prediction of All-Inorganic Lead-Free Halide Perovskites for Photovoltaic Application: Rb₃Mo₂Br₉和Rb₃Mo₂Cl₉）。该研究采用第一性原理计算探索了无铅钙钛矿Rb₃Mo₂Cl₉和Rb₃Mo₂Br₉的电子、结构和光学特性。这不仅证明了该无铅化合物具有良好的光伏性能，而且为持续开发无铅无机钙钛矿提供了关键的基础，为可持续和环保的太阳能电池技术提供了重要途径。

图1 Rb₃Mo₂Br₉和Rb₃Mo₂Cl₉的晶体结构

【内容表述】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其快速提高的功率转换效率（PCE）而获得了广泛的关注，迄今为止实现了25.2%的PCE，可与商业硅基太阳能电池相媲美。尽管光伏转换效率提高迅速，但仍有许多技术挑战有待解决，这些问题包括铅毒性和长期置于水分和空气中稳定性不足等问题。一种最直接的方法是设计稳定和无毒的钙钛矿材料替代品，如用其它阳离子取代Pb，如Sn、Ge、Bi、Sb等形成无铅卤化物钙钛矿。其中，元素Sn在元素周期表中与Pb是相邻的同族元素，因此被作为首要考虑。然而，锡基钙钛矿中的Sn²⁺容易被氧化为Sn⁴⁺的化合物，以及由Sn空位引起的固有缺陷影响其发展；再者， Bi³⁺和Sb³⁺基化合物A₃B₂X₉也被研究为光伏吸收剂。在这一背景下，新型无机A₃B₂X₉钙钛矿则大大提高了稳定性，降低了毒性。因此，我们提出了具有潜在光伏应用潜力的全无机无铅钙钛矿衍生物Rb₃Mo₂Cl₉和Rb₃Mo₂Br₉。

研究结果表明，Rb₃Mo₂Cl₉的带隙为1.78 eV，可将其作为补充材料与低带隙太阳能电池串联使用，相比之下，Rb₃Mo₂Br₉具有1.60 eV的带隙，这是一个非常适合的直接带隙，可作为光伏器件的候选材料。态密度的计算则显示出了Mo原子对这两种材料电子轨道的实质性贡献，其中Mo-d轨道在Rb₃Mo₂Cl₉的情况下发挥了关键作用。

图2 Rb₃Mo₂Cl₉和Rb₃Mo₂Br₉的电荷密度和禁带宽带对比

在光学性质方面，Rb₃Mo₂Cl₉和Rb₃Mo₂Br₉在可见光和紫外光谱上均表现出理想的光吸收性，其中Rb₃Mo₂Cl₉表现出更有利的吸收系数。同时，通过太阳能光电转换效率（SLME）分析预测，二者均具有较大潜力。

图3 Rb₃Mo₂Cl₉和Rb₃Mo₂Br₉的光学性能

通过采用无铅的方法对钙钛矿进行设计，我们的目标是减少环境污染，从而扩大它们在可持续技术中的适用性。这项研究不仅证明了这些无铅化合物具有良好的光伏性能，而且为持续开发无铅无机钙钛矿提供了关键的基础，为找到更加可持续和环保的太阳能电池技术提供了重要途径。

【文献详情】

X. Deng, Z. Zhang, Z. Zhang, Y. Wu, H. Song, H. Li, B. Luo, A Prediction of All-Inorganic Lead-Free Halide Perovskites for Photovoltaic Application: Rb₃Mo₂Br₉ and Rb₃Mo₂Cl₉. Adv. Sci. 2024, 2407751. https://doi.org/10.1002/advs.202407751

李焕新，伦敦大学学院研究员。2014年于湖南大学获得学士学位，之后在湖南大学-伦敦国王学院博士联合培养并于2019年获得博士学位。此后分别在剑桥大学(2020-2022)，牛津大学(2022-2023)，伦敦大学学院(2023至今)开展研究工作。李焕新博士在电储能器件、催化及能量转化、电化学传感、电化学理论计算及模拟等方面取得了系列成果，相关研究在Nature Communications、Advanced Materials、Energy and Environmental Science、Angewante、Advanced Functional Materials等期刊上发表论文80余篇。李焕新博士目前的研究兴趣包括（1）安全快充型电化学储能器件构建策略,（2）基于光、电、热催化体系的新型催化剂筛选、设计、合成及应用,（3）可穿戴智能电化学器件及柔性电子集成系统。

罗炳程，中国农业大学教授，博士生导师，低碳技术与能量转换物理研究团队负责人。在新型信息功能材料和器件的开发及其在农业和能源领域的应用方面取得了一系列成果，并在Nature Communications、PNAS等期刊发表90余篇论文。

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