无铅钙钛矿超晶格FAGeI2Br/CsGeI2Br的结构与光伏性能研究：迈向高效稳定太阳能电池的新突破

本研究针对铅基钙钛矿的毒性及稳定性问题，通过密度泛函理论(DFT)和SCAPS-1D模拟，系统分析了无铅超晶格钙钛矿FAGeI2Br/CsGeI2Br的结构与光电特性。该材料展现1.50 eV直接带隙、36 meV低激子结合能及优异可见光吸收能力，基于SnO2/Cu2O传输层的器件模拟效率达32.96%，为无铅光伏技术提供理论依据。

　　

在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其卓越的光电转换效率成为研究热点，但铅毒性和环境不稳定性始终是制约其商业化的瓶颈。传统铅基钙钛矿如MAPbI₃虽效率突破25%，却面临欧盟RoHS指令的合规挑战。与此同时，纯锡/锗基钙钛矿虽无毒但存在缺陷密度高、易氧化的缺陷。如何通过材料设计兼顾环保性与高性能，成为学界亟待解决的难题。

欧洲研究人员通过理论计算与器件模拟相结合的方式，创新性地提出FAGeI₂Br/CsGeI₂Br超晶格结构解决方案。这项发表于《Renewable Energy》的研究显示，该材料体系不仅实现1.50 eV的理想带隙匹配太阳光谱，更通过量子限域效应将激子结合能降至36 meV，器件模拟效率突破32.96%的理论极限。

研究方法上，团队采用多尺度计算策略：首先运用WIEN2k软件进行全势线性缀加平面波(FLAPW)法计算，采用PBEsol泛函优化晶体结构；随后通过SCAPS-1D软件构建SnO₂/超晶格/Cu₂O器件模型，求解泊松方程和载流子连续性方程；关键参数设置包括1.5×10¹⁵ cm^-3的缺陷密度和300 nm活性层厚度。

结构相分析
通过垂直堆叠FAGeI₂Br（甲脒锗碘溴）和CsGeI₂Br（铯锗碘溴）单胞形成超晶格，X射线衍射模拟显示其保持四方相结构（空间群P4mm），晶格参数a=b=5.77 ?，c=11.39 ?。值得注意的是，界面处Ge-Br键长缩短至2.51 ?，较体相材料减少4.2%，这种键长收缩显著增强结构稳定性。

光电特性
能带结构计算揭示该材料具有直接带隙特征，导带底由Ge-4p轨道主导，价带顶源于Br-4p和I-5p轨道杂化。特别值得关注的是，超晶格界面处产生0.21 eV的内建电场，促进光生载流子分离。吸收系数在可见光区达10⁵ cm^-1量级，较单一组分提升约30%。

器件性能
SCAPS模拟显示：采用SnO₂电子传输层(ETL)和Cu₂O空穴传输层(HTL)时，开路电压(V_oc)达1.12 V，填充因子(FF)突破85.3%。效率提升主要归因于超晶格界面处的能带对齐优化，使电子/空穴传输效率分别提升至2.1×10³ cm²/V·s和1.8×10³ cm²/V·s。

这项研究通过理论设计证实了锗基超晶格钙钛矿的可行性，其创新性体现在三方面：首次提出FA/Cs阳离子交替的超晶格构型，通过应变工程调控界面键合特性；建立"低维限域-载流子传输"的构效关系模型；为突破Shockley-Queisser极限提供新思路。尽管仍需实验验证，该工作为发展高效稳定无铅光伏技术指明了方向，对实现《巴黎协定》碳中和目标具有重要战略意义。