最近，基于二维层间阳离子交替钙钛矿（ACI）作为吸光层的钙钛矿太阳能电池因其超过18%的光电转换效率而受到广泛关注。然而，ACI材料中铅元素的潜在毒性限制了其广泛应用，降低这种材料的毒性已成为研究热点。

采用环境友好金属替换/掺杂ACI材料中铅元素是发展无毒/低毒钙钛矿太阳能电池吸光层的重要策略。本研究采用锗（Ge）替代二维ACI GA(MA)₃Pb₃I₁₀钙钛矿中的铅元素，设计了系列少铅/无铅钙钛矿材料。采用第一性原理研究了锗/铅比例对材料几何结构、电子结构、光学性质和光电转换性能的影响。研究结果显示，调控Ge元素掺杂比例可将材料带隙调至最佳范围（0.9-1.6 eV），此外，Ge元素掺杂可显著提高材料的斯托克斯位移和黄昆因子，进而增强其荧光发射谱宽和光致发光趋势。重要的是，GA(MA)₃(Pb_0.333Ge_0.667)₃I₁₀和GA(MA)₃(Pb_0.083Ge_0.917)₃I₁₀的电子迁移率分别高达253.8 cm²s⁻¹V⁻¹和 2492.9 cm²s⁻¹V⁻¹，这表明该材料作为吸光层时可增强界面电子转移速率，提高界面电子空穴分离效率。当Ge元素掺杂比例位于8.3%到50%时，具有最小的能量损失，可降低界面非辐射电荷重组。最后，采用肖克利-奎伊瑟理论预测了所有材料的光电转换效率，结果显示 GA(MA)₃(Pb_0.75Ge_0.25)₃I₁₀and GA(MA)₃(Pb_0.667Ge_0.333)₃I₁₀的光电转换效率分别为22.5%和22.4%，其光电性能显著优于参考材料GA(MA)₃Pb₃I₁₀（18%）。计算结果为发展环境友好型二维ACI钙钛矿材料提供了重要理论基础。

研究成果发表于国际著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》（IF=10.7）上，题为“Germanium doping effect on the photoelectronic performance of alternating cations in the interlayer space GA(MA)₃(Pb_1−xGe_x)₃I₁₀”。第一作者为海南大学化学化工学院孙萍萍教授，通讯作者为海南大学化学化工学院迟伟杰教授、中国科学院过程工程研究所蔡贵龙研究员。海南大学化学化工学院为论文的第一单位。

相关研究得到国家自然科学基金项目（32360236、22203024)）、海南省自然科学基金（123MS001、123QN181）、协同创新中心项目（XTCX2022JKB03）等经费资助。

全文连接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta02141j

撰稿人：迟伟杰

审核人：潘福生