中国农业大学理学院应用物理系罗炳程教授团队在能量转换材料领域取得重要进展

近日，中国农业大学理学院应用物理系罗炳程教授等人在能量转换材料研究方面取得新进展，在《先进科学》（Advanced Science）上在线发表研究论文《全无机无铅钙钛矿材料Rb₃Mo₂Br₉和Rb₃Mo₂Cl₉的光伏应用预测》（A Prediction of All-Inorganic Lead-Free Halide Perovskites for Photovoltaic Application: Rb₃Mo₂Br₉和Rb₃Mo₂Cl₉）。这些材料有望成为替代传统含铅钙钛矿太阳能电池的新型环保候选材料，对推动光伏领域的绿色可持续发展具有重要意义。

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计算了它们的光电特性，阐明了其组成、结构和性能的内在机制。

图1：Rb₃Mo₂Br₉和Rb₃Mo₂Cl₉的晶体结构

能带结构表明，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的情况下发挥了特别关键的作用。

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强大的光吸收，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，二者在高效太阳能电池领域均具有较大潜力。

图3：Rb₃Mo₂Cl₉和Rb₃Mo₂Br₉的光学性能

通过创新性地采用无铅策略设计有机无机杂化钙钛矿材料，我们旨在显著降低有毒元素对环境的污染，进而拓宽这类材料在可持续能源技术中的应用范围。本研究不仅实证了Rb₃Mo₂Cl₉和Rb₃Mo₂Br₉无铅化合物具备优异的光伏特性，更为持续探索与开发无铅无机钙钛矿奠定了坚实的理论基础，为迈向更加绿色、可持续的太阳能电池技术开辟了重要路径，有望对全球能源转型和环境保护产生深远影响。

中国农业大学为第一完成单位，罗炳程教授为通讯作者，本研究工作得到了中国农业大学校级高性能计算平台的支持。

罗炳程教授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创新成果，并在《自然·通讯》(Nature Communications)、《美国科学院院刊》(PNAS)等期刊发表90余篇论文。