结合DFT理论分析与SCAPS-1D模拟的协同方法，以挖掘基于Cs2SnBr6的太阳能电池的光伏潜力

《Materials Today Chemistry》：Synergistic approach using DFT insights and SCAPS-1D simulations to unlock the photovoltaic potential of Cs2SnBr6-Based solar cell

　　

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  Cs₂SnBr₆的带隙为1.44电子伏特，非常适合用于光伏应用。
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  通过SCAPS-1D模拟对50种器件结构进行了系统分析，以找到最优结构。
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  FTO/TiO₂/Cs₂SnBr₆/Zn₃P₂/Au构成的器件结构实现了27.51%的极高光电转换效率。

引言

钙钛矿太阳能电池通过兼具较高的光电转换效率以及较低的制造成本，彻底改变了光伏领域的发展格局[1,2]。其优异的性能源于其在可见光到红外光谱范围内可调控的带隙、较大的吸收系数，以及基于卤化物成分所具备的良好光电特性[[3], [4], [5]]。最初占据主导地位的是铅基卤化物钙钛矿，因为它们具有理想的电子特性和结构稳定性，因而能够实现极高的光电转换效率[6]。然而，铅具有毒性且易溶于水，会给环境和人类健康带来严重风险，这促使人们寻求无铅替代材料[7]。为此，以锡为基础的钙钛矿和双钙钛矿被视作可行替代品，它们具备类似的电子特性，同时能减少对环境的危害[[8], [9], [10]]。通过对这些无铅材料的不断优化，人们已经开发出了在保持高效的同时具有更好稳定性的材料[11]。此外，在多层结构中结合高性能的空穴传输层和电子传输层与钙钛矿吸收层，可以有效提升器件的稳定性和性能，从而使钙钛矿太阳能电池成为下一代可持续光伏系统的重要基础[12]。

开发无铅双钙钛矿太阳能电池是一项既包含实验研究又涉及理论分析的工作，其目的是为了给基于铅的技术提供更环保的替代方案。例如，Bonomi等人（2020年）采用射频磁控溅射技术制备了CsSnBr₃、CsSn₂Br₅和Cs₂SnBr₆的薄膜，这些薄膜具有纯相结构且晶格参数明确，这一成果证明了气相沉积技术在稳定具有优异光电性能的复杂光伏相方面的潜力[13]。同样，Veronese等人（2020年）通过热注入法制备了立方形的Cs₂SnX₆（X为Cl、Br、I）纳米晶体，其晶格参数分别在10.391埃到11.642埃之间。他们通过卤化物工程手段调节发光波长，使其在444纳米（Cs₂SnCl₆）到790纳米（Cs₂SnI₆）之间变化，从而展示了调节光子特性的可能性[14]。Veronese等人（2021年）合成了Cs₂SnX₆（X为I、Br）的3D纳米颗粒和2D纳米片，研究发现较长的胺链长度会增大带隙，从而导致光学发射向蓝光方向移动，同时XRD分析也证实了Cs₂SnBr₆和Cs₂SnI₆均为立方相[15]。

通过对这些材料的光电特性研究，进一步凸显了它们的光伏应用潜力。Razzaq和Islam（2020年）指出，Cs₂SnBr₆具有1.33电子伏特的直接带隙，介电常数和折射率可高达20电子伏特，而根据Pugh延展性指数，该材料还具有机械上易碎的特性[16]。Hayat和Khalil（2024年）研究了Cs₂SiBr₆、Cs₂GeBr₆和Cs₂SnBr₆，发现它们分别具有适宜的带隙（2.70电子伏特、1.80电子伏特和2.90电子伏特），较高的介电常数、良好的光吸收能力以及机械稳定性，因此都非常适合用于光伏领域[17]。El Badraoui等人（2024年）通过计算方法分析了Cs₂SnX₆，结果发现Cs₂SnI₆是一种优良的吸收剂，而Cs₂SnBr₆则是一种极具潜力的光催化剂，其带隙分别为3.912电子伏特（Cs₂SnCl₆）、2.625电子伏特（Cs₂SnBr₆）和0.863电子伏特（Cs₂SnI₆）[18]。同样，Krishna等人（2022年）采用mBJ方法计算，得到Cs₂SnCl₆、Cs₂SnBr₆和Cs₂SnI₆的带隙分别为4.20电子伏特、2.68电子伏特和0.74电子伏特[19]。最近，Rahman等人利用SCAPS-1D和DFT技术对X₂SnBr₆（X为Cs、Rb、K、Na）进行了研究，结果显示相应器件的光电转换效率分别为29.22%（Cs₂SnBr₆）、30.62%（K₂SnBr₆）、27.25%（Rb₂SnBr₆）和29.51%（Na₂SnBr₆），其中K₂SnBr₆的表现最为优异[20]。Tarekuzzaman等人（2025年）运用机器学习和SCAPS-1D技术对基于K₂GeI₆的钙钛矿太阳能电池进行了优化，最终得到了ITO/WS₂/K₂GeI₆/CuSbS₂/Ni结构下28.69%的最高光电转换效率，而且所有光伏相关参数的R²值均大于0.98，表明该机器学习模型效果非常好[21]。在同一研究中，该团队还研究了基于Rb₂SeI₆的无铅钙钛矿太阳能电池，发现ITO/IGTO/Rb₂SeI₆/MoO₃/Ni结构在吸收剂参数为厚度1微米、受体浓度1×10¹⁵厘米^-3、缺陷浓度1×10¹⁴厘米^-3时，可实现31.80%的光电转换效率[22]。此外，他们还使用SCAPS-1D软件模拟了54种基于Cs₂TlAsI₆的无铅钙钛矿太阳能电池结构，发现ITO/WS₂/Cs₂TlAsI₆/Cu₂O/Ni结构的光电转换效率最高，可达26.92%，这表明该结构非常适合作为无铅光伏领域的高效应用材料[23]。

在钙钛矿太阳能电池结构中，钙钛矿吸收层是主要的光捕获组件，它通过吸收光子来产生电子-空穴对。为了实现高效的分离并将这些载流子输送到相应的电极，同时降低因重组带来的损失，设计合适的空穴传输层和电极传输层至关重要[24,25]。目前已有多种材料被用于构建这些传输层，比如CZTSe、CdTe、Sb₂S₃、V₂O₅、CNTs、MoS₂、Cu₂Te、Zn₃P₂、NiO和CuI等，这些材料都在钙钛矿太阳能电池中得到了应用[26]。虽然NiO具有稳定性且带隙匹配良好，CuI则具备较高的空穴迁移率和透明度，但两者在同时实现高光电转换效率和高效电荷提取方面都存在一定困难[27]。相比之下，Zn₃P₂被证明是极为出色的空穴传输层候选材料，它不仅具有完美的带隙匹配，还拥有较高的空穴迁移率，且能有效降低重组损耗，因此能够带来更高的效率与更好的稳定性[28]。

另一方面，经过广泛研究的电极传输层材料包括WS₂、TiO₂、SnO₂、IGZO和CdZnS[29]。TiO₂因其完美的带隙匹配、良好的稳定性以及成熟的加工技术，成为最常用的电极传输层材料；而SnO₂则具有较高的电子迁移率，且适合在较低温度下制造[30]。TiO₂的导带底与价带顶之间的能量差，以及其与吸收层的良好匹配，有助于实现高效的电子提取、抑制界面处的载流子重组，并促进载流子的传输。将Zn₃P₂作为空穴传输层与TiO₂作为电极传输层组合使用，可以相互弥补各自的不足，从而实现更高的性能、更好的稳定性和更长的使用寿命，这类组合结构堪称下一代钙钛矿太阳能电池的理想选择[31]。

要实现对光伏器件的优化，就需要深入了解材料的电子行为，而带结构分析和态密度分析在这方面能够发挥重要作用[32,33]。密度泛函理论是一种有效的预测工具，它不仅可以用来研究材料的带结构、缺陷情况，还能对电子结构进行建模，从而为实验研究提供指导[34,35]。在开发基于卤化物的双钙钛矿材料方面，密度泛函理论尤其有用，比如Cs₂AgBiBr₆和Cs₂SnI₆，这类材料具有可调控的带隙、无毒性强且稳定性更高[36]。通过将密度泛函理论建模与实验验证相结合，可以更快地发现并优化出更具可持续性的光伏材料[37]。

在本研究中，我们针对含有Cs₂SnBr₆吸收层的50种不同器件结构，分别考察了10种不同的空穴传输层和5种不同的电极传输层组合，旨在找出最优的器件设计方案。密度泛函理论计算显示Cs₂SnBr₆的直接带隙约为1.44电子伏特，而在这些参数条件下进行的SCAPS-1D模拟则表明，Zn₃P₂/TiO₂组合能实现最高的预设光电转换效率，可达31.86%，因为它既能保证载流子的有效传输，又能降低重组现象。通过进一步优化吸收层的厚度以及相关电阻参数，器件的性能得到了进一步提升：增加吸收层厚度有助于提升光吸收效率，而较高的旁路电阻和较低的串联电阻则有利于提高开路电压和填充因子。J-V曲线和量子效率分析也证实，该器件能够稳定地产生载流子，且重组现象较少。由此可见，将密度泛函理论与SCAPS-1D模拟相结合，可以为设计高效、环保的Cs₂SnBr₆太阳能电池提供可靠的验证依据。

章节要点

Cs₂SnBr₆吸收层的第一性原理计算

基于密度泛函理论的WIEN2K软件包，我们对Cs₂SnBr₆的结构、电子性质和光学响应进行了计算[38]。所采用的Kohn-Sham密度泛函理论方法是以线性增广平面波函数来描述电子的全势，其基组由“松饼形”球体构成，通过这种方式可以将价带状态和核心状态分开[39]。球体内部以及间隙区域的电子波函数，则由线性增广平面波来表示

结构特性

卤化物钙钛矿Cs₂SnBr₆具有立方对称性，其空间群属于Fm3m（225）类型。如图1(a)的插图所示，Cs₂SnBr₆的单元晶胞呈多面体形状，其中的Cs、Sn和Br原子分别用绿色、紫色和棕色的球体表示[48]。Cs阳离子的配位数为12，它与12个溴阴离子共同构成一个十二面体结构；而Sn阳离子则与6个溴阴离子配位，形成八面体结构。该单元晶胞的

结论

在本研究中，我们通过密度泛函理论和SCAPS-1D模拟方法，系统地研究了基于Cs₂SnBr₆的钙钛矿太阳能电池的潜在应用价值。通过密度泛函理论计算，我们了解了Cs₂SnBr₆的结构、力学性质、电子特性和光学性质，结果表明它具有立方对称性，晶格常数为10.909埃，容忍因子为1.02，生成焓为-3.18电子伏特，这些数据都证明了该材料在结构和热力学层面都具有稳定性。此外，

作者贡献说明

Ghulam M. Mustafa：概念构思、数据整理、正式分析。 Sohail Mumtaz：概念构思、正式分析、项目监督、初稿撰写。 Nawal K. Almaymoni：概念构思、初稿撰写、修订编辑。 Habib Elhouichet：结果验证、可视化处理、初稿撰写。 Munawar Iqbal：结果验证、可视化处理、初稿撰写、修订编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者们要感谢沙特阿拉伯利雅得的努拉·宾特·阿卜杜勒拉赫曼公主大学的研究支持项目（项目编号PNURSP2026R902），同时也感谢比沙大学的研究生院及科学研究处通过快速研究支持计划对这项工作所提供的支持。

Ghulam M. Mustafa|Sohail Mumtaz|Nawal K. Almaymoni|Habib Elhouichet|Munawar Iqbal