近日，我院曾晓成教授（美国内布拉斯加大学林肯分校“校长冠名”大学讲席教授（Chancellor’s University Professor）通过理论预测了一系列适用于太阳能电池吸收层材料的无铅硫族钙钛矿以及无铅杂化锡锗卤化物钙钛矿材料，并且通过对于其光电性能的理论研究，预言了SrSnS3，SrSnSe3 和RbSn0.5Ge0.5I3钙钛矿具有适宜的带隙和光吸收性质，是制造光伏器件的良好材料。相关研究成果发表在《先进能源材料》和《美国化学学会期刊》杂志上，论文的作者包括我校2015届毕业的博士研究生巨明刚（第一作者），以及0003校友戴军博士。(Perovskite Chalcogenides with Optimal Bandgap and Desired Optical Absorption for Photovoltaic Devices, Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700216；Lead-free Mixed Tin and Germanium Perovskites for Photovoltaic Application, J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b04219)。
钙钛矿是一类具有高度对称的紧密堆积结构的材料，由于其化学和物理性质的多样性，在过去的数十年中已被广泛研究。近几年来，基于无机有机杂化钙钛矿的太阳能电池吸引了前所未有的关注，多晶薄膜钙钛矿光伏器件的功率转换效率已经超过22.1％。但是目前杂化钙钛矿材料的稳定性非常差，当暴露在光照下以及在受热或者与水/氧气接触的情况下很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，不仅将污染环境，也会损害人的健康。这些问题严重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，基于无毒元素并兼具较高的结构稳定性的无机无铅钙钛矿已被引入到钙钛矿太阳能电池研究领域，并且引起了研究人员极大的关注。
基于以上问题，曾晓成团队利用第一原理理论计算对于一系列无铅硫族钙钛矿和无铅杂化锡锗卤化物钙钛矿材料进行了深入研究。通过计算这些钙钛矿材料的带隙和光吸收谱，发现SrSnSe3，SrSnS3和RbSn0.5Ge0.5I3钙钛矿具有适宜的直接带隙(在0.9-1.6eV的最佳光转换效率范围内)以及非常好的光学吸收性能(接近甚至优于CH3NH3PbI3)。进一步的研究发现它们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。这些优良的性质使这三种材料很有希望成为优异的太阳能电池吸收层材料。此外，通过元素混合策略能够将钙钛矿硫族化物的带隙进行调节，进而可以作为特定的应用，例如串联光伏器件。
上述研究得到了中国科学技术大学能源材料协同中心以及国家自然科学基金委等项目的资助。