压力调控二维Ruddlesden-Popper钙钛矿Cs2SnI2Cl2的光电性能与热力学特性研究

【编辑推荐】为解决铅基钙钛矿的环境毒性及二维Ruddlesden-Popper（2D-RP）钙钛矿带隙过大的问题，研究人员通过第一性原理计算揭示了机械压力（2.21 GPa）可显著优化Cs2SnI2Cl2的带隙（从2.3 eV降至1.75 eV）、光吸收系数（提升至1×105 cm?1）及光伏性能（EQE从31%增至77%），为无铅钙钛矿太阳能电池（PSCs）的设计提供新思路。

　　

在能源危机与环境问题日益严峻的背景下，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其高效率与低成本成为研究热点。然而，传统铅基钙钛矿（如Cs₂PbI₂Cl₂）的毒性问题，以及二维Ruddlesden-Popper（2D-RP）钙钛矿带隙过大的缺陷（如Cs₂SnI₂Cl₂的2.52 eV带隙限制可见光吸收），严重制约了其实际应用。如何通过非化学手段调控材料性能成为关键科学问题。

为解决这一挑战，来自哈桑二世大学卡萨布兰卡分校的研究团队通过第一性原理计算，系统研究了机械压力对2D-RP钙钛矿Cs₂SnI₂Cl₂的多维度调控效应。研究发现，压力可显著优化其电子结构、光学响应及热力学行为，相关成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》。

关键技术方法
研究采用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）结合Wien2k软件，利用全势线性缀加平面波（FP-LAPW）方法计算电子结构；采用mBJ势函数修正带隙精度；通过体积优化和力学性质分析揭示压力-结构-性能关系。

研究结果

1. Volume optimization
   通过几何优化获得精确晶格参数，发现压力（2.21 GPa）诱导晶格收缩，导致Sn-I/Cl键长缩短，直接触发电子结构重排。

2. 电子结构
   未加压时材料为直接带隙半导体（2.3 eV），压力使导带下移，带隙降至1.75 eV，显著增强可见光吸收能力。

3. 光学性能
   吸收系数在3 eV处从4.7×10⁴ cm^?1跃升至1×10⁵ cm^?1；静态折射率从1.85增至1.93，提升光捕获效率。

4. 光伏参数
   压力下外量子效率（EQE）在2.4 eV从31%飙升至77%，短路电流密度（J_sc）在1 eV时从11.43 mA/cm²提升至18.54 mA/cm²。

5. 热力学特性
   材料展现高热容与低热导率（随温度降低），有效抑制载流子非辐射复合，保障器件热稳定性。

结论与意义
该研究首次阐明机械压力可协同优化2D-RP钙钛矿Cs₂SnI₂Cl₂的多功能特性：通过带隙工程拓宽光响应范围，通过光学参数提升实现高效光捕获，通过热力学稳定性设计保障器件寿命。这一发现为无铅钙钛矿的“压力-性能”调控提供了理论范式，对开发高效、稳定的新型光伏器件具有重要指导价值。作者A. Bouhmouche等强调，未来可通过衬底应力工程实现实验室成果向实际应用的转化。