《Inorganic Chemistry Communications》：Theoretical design of a nickel thiophene–dithiolene complex as a free hole transport material for perovskite solar cells: A DFT and SCAPS-1D study
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•一种有机金属化合物镍硫醇-二硫醇烯（HTM）被理论设计出来。•密度泛函理论（DFT）计算显示出HOMO/LUMO能级的良好对齐。•Ni-Comp能够高效提取空穴并阻挡电子。•优化后的Cs?PtI?太阳能电池实现了30.79%的转换效率。•该器件在290至330 K的温度范围内仍
• 一种有机金属化合物镍硫醇-二硫醇烯（HTM）被理论设计出来。
• 密度泛函理论（DFT）计算显示出HOMO/LUMO能级的良好对齐。
• Ni-Comp能够高效提取空穴并阻挡电子。
• 优化后的Cs?PtI?太阳能电池实现了30.79%的转换效率。
• 该器件在290至330 K的温度范围内仍保持优异的性能。
• Ni-Comp的性能超越了多种已报道的有机和无机HTLs。
引言 全球能源使用的增加以及燃烧化石燃料造成的环境破坏，促使人们寻找能够匹配或超越现有不可持续方法效率的可再生能源[1]。一类新的光伏技术——钙钛矿太阳能电池（PSCs），因其优异的光电性能（包括高吸收系数、可调带隙、长的载流子扩散长度、低激子结合能以及低成本的制造工艺）而受到了广泛关注[2],[3],[4],[5],[6]。凭借这些优势，PSCs迅速从实验室小规模设备发展成为下一代光伏应用中最具有竞争力的候选者之一，在转换效率方面甚至超过了传统的硅基太阳能电池[7]。
尽管有这些进步，但由于人们对铅毒性和长期环境稳定性的担忧，传统的铅基钙钛矿太阳能电池的大规模应用仍受到限制。因此，许多研究致力于开发无铅钙钛矿吸收剂，以实现传统钙钛矿的光伏性能而不产生环境问题[8],[9],[10]。双钙钛矿Cs?PtI?作为一种非常有前景的材料，因为它具有适当的带隙、强的光学吸收能力、低缺陷诱导复合以及优异的化学稳定性。此外，Cs?PtI?的特殊晶体结构有助于有效的电荷生成和传输，使其成为环保、高性能光伏器件的理想选择[11],[12],[13],[14]。
除了吸收层外，电荷传输层的效率对钙钛矿太阳能电池的整体性能也起着重要作用。具体来说，空穴传输层（HTL）负责从吸收层中提取光生空穴[15]，同时抑制界面处的复合，允许电荷移动，并在器件结构内设置适当的能级对齐。因此，先进的HTL材料应具备高空穴迁移率、合适的前线分子轨道能量、优异的化学稳定性以及强的界面相容性，这是提高钙钛矿太阳能电池性能的关键研究方向[16],[17],[18]。
在用于HTL应用的材料中，镍二硫醇络合物因其高度离域的π共轭电子结构、独特的氧化还原行为、狭窄的能隙和出色的电荷传输能力而受到更多关注。富含硫的二硫醇配体通过促进电荷离域和载流子迁移，在整个分子框架内实现高效电子通信[19],[20]。通过分子工程可以精细调节镍二硫醇化合物的电学性质，从而优化其能级以适用于光伏应用。
近年来，理论和计算已成为加速先进光伏材料开发的重要工具，减少了实验试错所需的时间和成本。如Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D)这样的器件级模拟平台，能够全面评估不同的光伏参数。最近，将分子尺度量子计算与器件尺度数值模拟相结合，已成为理解高效太阳能电池中结构-性质-性能关系的有效手段。
因此，本研究通过全面的理论方法，探讨了新设计的Ni-Comp分子作为无铅Cs?PtI?基钙钛矿太阳能电池中空穴传输层的前景。首先，使用高斯软件包中的DFT和TD-DFT计算来检查Ni-Comp的分子、电子和光学性质。然后，将获得的结果作为输入数据，用于SCAPS-1D模拟所提出的器件架构的光伏性能，并优化影响太阳能电池效率的主要因素。本研究有助于了解理论方法如何加速光伏材料的发现和优化，同时也为实现高效、稳定且环保的无铅钙钛矿太阳能电池提供了一些见解。
章节摘要 所设计Ni-comp分子的 computational analysis 使用高斯09软件包中的DFT计算，研究了所提出的HTM Ni-Comp的电子和光学特性。首先，采用Becke三参数交换泛函结合Lee–Yang–Parr相关泛函（B3LYP）和6-311G(d,p)基组对分子几何结构进行了全面优化。随后进行了振动频率计算，以验证优化结构的稳定性。
Ni-comp的电子结构和光学性质 通过DFT计算研究了所提出的Ni-Comp的分子和光电特性，以评估其作为无铅钙钛矿太阳能电池空穴传输材料的适用性。图1(a)展示了优化后的分子几何结构，其中富含硫的二硫醇配体围绕中心镍原子形成了一个能够促进高效电子传输的共轭框架。
结论 在这项研究中，理论设计了一种新型镍硫醇-二硫醇络合物（Ni-Comp），并将其作为无铅Cs?PtI?钙钛矿太阳能电池的无掺杂空穴传输材料。结合DFT和SCAPS-1D的研究表明，该材料具有高效提取空穴的关键电子特性，包括深HOMO能级（-5.44 eV）、与Cs?PtI?吸收剂的良好能级对齐以及电子阻挡能力。
CRediT作者贡献声明 Saifaldeen Muwafag Abdalhadi： 撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，项目管理，数据管理，概念构思。Asmaa Yahya Al-Baitai： 验证，项目管理，方法论，研究实施，资金获取，形式分析。
利益冲突声明 作者声明他们没有任何已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢 Saifaldeen M. Abdalhadi感谢Al-Karkh科学大学的资金和支持。
Saifaldeen Muwafag Abdalhadi 博士拥有化学博士学位，是伊拉克巴格达Al-Karkh科学大学的学术研究员，隶属于遥感与地球物理学学院的遥感系。他的研究兴趣包括计算化学、密度泛函理论（DFT）、纳米材料、光伏材料、钙钛矿和有机太阳能电池以及数值器件模拟。他的研究重点在于理论设计和
Saifaldeen Muwafag Abdalhadi|Asmaa Yahya Al-Baitai
