有機陽離子和金屬摻雜效應對二維無鉛基鈣鈦礦光伏性能影響

01引言

二維Ruddlesden-Popper（2D-RP）鈣鈦礦由于其更強的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性、高的光致發(fā)光量子產率和長的載流子壽命，在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的應用中受到廣泛關注。值得注意的是，2D-RP(ThMA)2(MA)2Pb3I10鈣鈦礦已經實現(xiàn)了超過19%的光電轉換效率（PCE），展現(xiàn)出了極大的潛在潛在前景[Angew. Chem. 132 (2020) 14081-14087]。然而，鉛的使用及其可能造成的環(huán)境污染仍然是當前關注的重點問題，隨著各國對鉛應用立法的嚴格設定，可能會阻礙(ThMA)2(MA)2Pb3I10鈣鈦礦的發(fā)展和廣泛使用[Nature, 2023, 617,687-695；Current opinion in pediatrics, 2008, 20, 172-177]。 最近研究表明，過渡金屬取代鉛是一種有效的減小鉛使用的方法，并且兼具降低合成成本的優(yōu)勢[ J. Mater. Chem. A 6 (2018) 3793-3823；Chem. Mater. 30 (2018) 8170-817；Materials Today, 2021, 47, 45-52 ]，受這些文獻的啟發(fā)，本項目研究了過 渡 金 屬 （Cd、Cu、Ge、Ni、Sn、Yb和Zn） 取 代 得 到 的2D-RP(ThMA)2(MA)2M3I10鈣鈦礦的光電結構性質， 并預測了發(fā)展?jié)撛诟咝?D-RP鈣鈦礦的應用策略。

02成果簡介 為了發(fā)展基于ThMA為A’-位陽離子的系列具有高光電性能的新型無鉛2D-RP(ThMA)2(MA)2M3I10鈣鈦礦，通過第一性原理計算研究了采用Cd、Cu、Ge、Ni、Sn、Yb和Zn進行金屬替代鈣鈦礦的光電特性、載流子傳輸特性、寬帶發(fā)射性質以及光電參數。研究結果表明，用Cd、Cu和Zn替代Pb可以將(ThMA)2(MA)2M3I10的帶隙微調到光伏應用所需的最佳范圍（0.9-1.6eV）。特別的是，(ThMA)2(MA)2Cd3I10和(ThMA)2(MA)2Cu3I10由于其較大的斯托克斯位移和黃昆因子，表現(xiàn)出強烈的寬發(fā)射性質和光致發(fā)光傾向。 而(ThMA)2(MA)2Ge3I10和(ThMA)2(MA)2Sn3I10分別表現(xiàn)出最好的電子和空穴傳輸能力 ， 載流子遷移率分別為12.869和9.856cm2V-1s-1， 相應地比(ThMA)2(MA)2Pb3I10高出1-2個數量級 。此外，通過光伏參數模擬，(ThMA)2(MA)2Cu3I10被預測為具有最高的PCE（22.97%），可作為潛在的光伏應用的新材料。本文報告的研究結果不僅實現(xiàn)了我們設計具備環(huán)境友好且高效的2D-RP鈣鈦礦的目標，而且還闡明了其在光電領域應用發(fā)展的新策略。

03圖文導讀

圖1.基于DASP軟件結合相關軟件優(yōu)化得到的(ThMA)2(MA)2M3I10系列穩(wěn)定結構。（a-h中心金屬分別是Cd, Cu, Ge, Ni, Pb, Sn, Yb, Zn）

圖2.(ThMA)2(MA)2M3I10列結構的能帶和態(tài)密度曲線。

圖3.(ThMA)2(MA)2M3I10系列結構的能級曲線和電子空穴生成能。

圖4.(ThMA)2(MA)2M3I10系列結構的（a）光學吸收曲線，（b） 斯托克斯位移，（c）黃昆因子，（d）激子自阱時間。

圖5.(ThMA)2(MA)2M3I10系列結構在（a）b-方向，（b）c-方向上的載流子遷移率。

04小結

本文使用鴻之微的缺陷和雜質第一性原理計算軟件DASP結合相關軟件，通過第一性原理計算研究了一系列2D-RP(ThMA)2(MA)2M3I10鈣鈦礦的光電特性、寬帶發(fā)射性質、電荷傳輸能力和光伏性能。研究發(fā)現(xiàn)，Cd、Cu和Zn取代Pb可以將帶隙微調到0.9-1.6 eV的最佳帶隙范圍。此外，Cd和Cu在改善斯托克斯位移和黃昆因子以及增強寬發(fā)射性質和光致發(fā)光傾向方面也發(fā)揮了重要作用。此外，用Cd、Zn、Cu、Ge和Sn替代可以產生比Pb基鈣鈦礦更高的電子和空穴遷移率。更重要的是，(ThMA)2(MA)2Cu3I10和(ThMA)2(MA)2Zn3I10被確認具有超過22%的高光電轉換效率（PCE）。如此高的PCE不僅接近Shockley-Queisser極限值，而且還表明這些鈣鈦礦在光伏應用中的巨大潛力作用，從而迎合了我們設計高效、環(huán)保型2D-RP鈣鈦礦候選物的目標。這項工作所報告的結果揭示了金屬替代所帶來的2D-RP(ThMA)2(MA)2M3I10鈣鈦礦的一些獨特的光電子特性， 并且可以利用這些特性來開拓其新的應用領域，進一步推進其在光電子領域的應用。

審核編輯：劉清