压力诱导带隙工程：氯掺杂CsSnI3的光学和机械性能——高效太阳能电池的第一性原理研究路线图

《Computational Condensed Matter》：Pressure-Induced Bandgap Engineering, Optical and Mechanical properties of Chlorine-Doped CsSnI 3: A First-Principles Roadmap for High-Efficiency Solar Cells

铅基钙钛矿CsSnI3-xClx的α、β、γ相通过第一性原理计算，揭示了Cl掺杂的非线性带隙演变规律（β相x=1时带隙最小0.834 eV，接近Shockley-Queisser极限），同时实现可见光吸收系数提升一个数量级（＞10^5 cm?1）。结构分析表明Cl掺杂导致晶格收缩约10.3%。

　　

Amondulloi Burhonzoda | Dilshod Nematov | Mekhrdod S. Kurboniyon | Makhmadzoir Kayumov | Iskandar Raufov | Mirabbos Hojamberdiev | Kholmirzo Kholmurodov | Tomoyuki Yamamoto

S.U. Umarov 物理技术研究所，杜尚别，塔吉克斯坦 734063

摘要

无铅钙钛矿在可持续光伏技术中发挥着关键作用；然而，其带隙可调性和机械稳定性仍然存在重大挑战。通过第一性原理计算，我们系统研究了CsSnI_3-xCl_x（x = 0 - 3）的α-、β-和γ-相，发现带隙随氯含量的增加而呈非单调变化。本研究的一个重要发现是带隙宽度与氯含量的关系具有非线性特征，这种关系受原子间距离变化和电子态重新分布的影响。当x = 1时，β-相的带隙通过HSE06计算方法得到的最小值为0.834 eV，而CsSnCl₃的带隙较宽，为1.845 eV，因此不适合用于可见光吸收。值得注意的是，当x = 1时，α-和β-相的光学性能更优，其在可见光谱中的吸收系数超过10⁵ cm^-1，比纯CsSnI₃高出一个数量级。结构分析显示，氯替代导致晶格收缩约10.3%（α-相：a = 6.26 ? → 5.62 ?）。这些结果为合理设计具有优异光电和机械性能的环境友好型钙钛矿提供了科学依据。该研究有助于开发符合现代应用能源和功能材料工程要求的环保型光伏材料。

部分内容摘录

引言

随着人口增长和对电能需求的增加，过去十年间人们采用了多种方法来寻找高效的光电池材料。硅仍然是最常用的材料，它能够吸收阳光并将其转化为电能，是大多数现代单结太阳能电池的基础。然而，硅的带隙难以调节，这限制了其在多结电池中的应用。

计算方法

计算使用了VASP [41]软件，并在密度泛函理论（DFT）框架下进行。首先对截止能量和k点采样进行了详细的收敛性分析（见图S1和图S2），从而确定了后续计算的最佳参数。所有CsSnI_3-xCl_x系统的截止能量（ENCUT）选为520 eV，并考虑了自旋极化效应（ISPIN = 2）。Monkhorst-Pack k点网格分别设置为4×4×4、5×5×7和3×3×2。

结构性质

CsSnI_3-xCl_x（x = 0, 1, 2, 3）钙钛矿可以存在于不同的结构相中。在本研究中，我们专注于α-、β-和γ-相，这些相分别包含5个、10个和20个原子/单元格。图1(a)、(b)和(c)展示了CsSnI₃的α-、β-和γ-相的优化晶体结构。

如图1所示，CsSnI₃的β-和γ-相包含两个不同的碘原子位点。

结论

这项基于DFT的研究系统地探讨了碘替换为氯对CsSnI_3-xCl_x钙钛矿的结构、电子、光学和机械性能的影响。结果表明，当β-相中部分替换（x = 1）时，带隙最小值为0.83-1.33 eV，这与Shockley-Queisser效率极限非常接近。同时，光学性能也得到了显著提升：可见光范围内的吸收系数超过10

CRediT作者贡献声明

Dilshod Nematov： 方法论、研究设计、概念构建。 Mekhrdod S. Kurboniyon： 资源获取、方法论、概念构建。 Amondulloi Burhonzoda： 文稿撰写、可视化。 Mirabbos Hojamberdiev： 文稿审阅与编辑、方法论、研究设计。 Kholmirzo Kholmurodov： 文稿审阅与编辑。 Makhmadzoir Kayumov： 形式分析、数据整理。 Iskandar Raufov： 可视化、方法论。 Tomoyuki Yamamoto： 文稿审阅与编辑、指导、软件开发。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国际科学技术中心（ISTC）在项目TJ-0040下的支持。特别感谢日本政府的财政贡献，以及其对塔吉克斯坦国家科学院S.U. Umarov物理技术研究所建立现代化研究实验室的支持。

本研究还得到了CIS的国际纳米技术创新中心（ICNTC）的支持。