反钙钛矿氧卤化物Rb3OX（X = Br, I）作为光伏材料的理论评估与性能优化

针对铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)的毒性及稳定性问题，研究人员通过第一性原理计算系统研究了反钙钛矿氧卤化物A3OX（A=K/Rb/Cs；X=Br/I）的光电性能。发现Rb3OBr/I具有1.53-1.63 eV直接带隙和27.8%/26.5%理论效率极限，其无毒组分与立方/六方双相稳定性为开发绿色高效太阳能电池提供了新思路。

　　

在能源转型的全球背景下，太阳能电池技术面临两大核心挑战：传统铅基钙钛矿（ABX₃）的毒性问题，以及有机-无机杂化材料的环境不稳定性。尽管金属卤化物钙钛矿（MHPs）凭借三维（3D）结构和优异光电性能成为研究热点，但其发展始终受限于铅污染和有机组分降解。近年来，双钙钛矿（DHPs）如Cs₂AgBiX₆虽解决了毒性问题，却因宽带隙和窄吸收光谱难以满足单结电池需求。与此同时，反钙钛矿氮化物（A₃YN）在光伏（PV）领域的潜力逐渐显现，但相关氧卤化物（A₃OX）的系统研究仍属空白。

针对这一科学瓶颈，江西省自然科学基金支持的研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算，首次全面评估了反钙钛矿氧卤化物A₃OX（A=K/Rb/Cs；X=Br/I）的光伏性能。研究采用维也纳从头算模拟包（VASP）进行结构优化，结合广义梯度近似（GGA-PBE）和杂化泛函（HSE06）修正带隙，通过声子谱和弹性常数验证稳定性，并利用光学矩阵计算吸收系数与极限效率。

结构分析揭示相变规律
立方相Rb₃OBr（Pm^ˉ3m）和六方相Cs₃OI（P6₃/mmc）的晶格参数与实验值误差<1%，证实计算可靠性。研究发现A位阳离子半径增大可诱发立方→六方相变，而X位卤素对结构影响微弱。

稳定性双验证突破认知
通过声子谱无虚频和热力学形成能（<0 eV）证实Rb₃OI立方/六方双相稳定性，其体模量（B=19.8 GPa）与剪切模量（G=11.2 GPa）满足机械稳定性判据，解决了该材料此前缺乏系统验证的问题。

带隙工程主导光响应
A位阳离子调控带边位置：Rb→Cs使带隙从1.63 eV（Rb₃OI）增至2.12 eV（Cs₃OI），而X位卤素仅微调0.1 eV。关键发现是Rb₃OBr/I具有直接带隙（1.53/1.63 eV），接近Shockley-Queisser理论最优值（1.34 eV）。

光伏性能定量预测
吸收光谱显示Rb₃OX在可见光区具有2.8×10⁴ cm^?1吸收系数，虽低于CH₃NH₃PbI₃（10⁵ cm^?1），但1.0 μm薄膜可实现26.5-27.8%极限效率，显著优于Cs₂AgBiBr₆（18%）。

这项发表于《Materials Today Chemistry》的研究具有三重意义：首先，确立Rb基氧卤化物作为无毒稳定光伏材料的可行性；其次，揭示A位阳离子在带隙工程中的主导作用，为材料设计提供新范式；最后，通过理论计算预测27.8%效率极限，为实验合成指明方向。Diwen Liu团队的工作不仅填补了反钙钛矿氧卤化物光伏性能研究的空白，更推动绿色能源材料从铅基钙钛矿向多元化体系发展。