近年來，鹵化物鈣鈦礦因其優越的光電效能在太陽能電池領域展現出色表現，尤其是基於鉛的鈣鈦礦材料(如CH₃NH₃PbI₃)已經實作了超過26%的光電轉換效率(PCE)。鈣鈦礦材料在光伏領域的成功激發了研究者們對鈣鈦礦衍生半導體材料的廣泛研究。然而，盡管鈣鈦礦衍生材料已經取得了顯著進展，其光伏效能(PCE<5%)仍遠遠落後於鈣鈦礦材料的表現。
除了鈣鈦礦型半導體材料，反鈣鈦礦型材料的研究也引起了廣泛關註。反鈣鈦礦型材料與鈣鈦礦型材料在晶體結構上非常相似，不同之處在於它們在晶格位點上的陽離子和陰離子類別型有所不同 。 本文作者(後簡稱MH作者)此前與合作者們在反鈣鈦礦型材料設計方面發表了一系列重要研究成果(見下圖) 。
MH作者與合作者們在反鈣鈦礦型材料理論設計方面的工作匯總：
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Mater. Horiz.，2024，https://doi.org/ 10.1039/d4mh00526k.
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J. Am. Chem. Soc. 2021，143(31)，12369–12379.
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Nanoscale，2023，15，11560-11568.
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ACS Appl. Mater. Interfaces 2021，13(41)，48516–48524.
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Phys. Rev. Mater.，2022，6(11)，114601.
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J. Semicond，2023，44(10)，102101.
2024年8月6日， MH作者在前期反鈣鈦礦型半導體材料設計的基礎上，進一步提出了一種原子位置劈裂策略，成功設計出一類具有高潛力的反鈣鈦礦衍生材料(詳細的概念解讀見下圖) ，為高效能無鉛光伏材料的設計研究開辟了新的思路。
如下圖所示，在傳統的立方反鈣鈦礦結構基礎上，設計出X₃BA'₃類別的反鈣鈦礦衍生材料。這種結構轉變不僅保留了重要的陰離子中心八面體框架，還透過對80種X₃BA'₃化合物的第一性原理計算，驗證了這些材料在熱力學、動力學穩定性和帶隙等方面的優異表現。
MH作者透過計算發現，Ba₃BiI₃、Ba₃SbI₃和Ba₃BiBr₃等九種反鈣鈦礦衍生材料在穩定性和電子特性上表現出色，計算的理論最大光電轉換效率均超過24.5%。
MH作者也利用他們先前開發的" 鐵電壓電介電分析軟件包(簡稱FPDA，授權登記號2023SR1755161） "詳細探究了X₃BA'₃反鈣鈦礦衍生材料介電常數減小的原因。
除了傳統的計算方法，MH作者還套用了可解釋的機器學習分析，辨識出了影響這些材料熱力學穩定性和帶隙的關鍵物理描述符。透過機器學習模型，MH作者成功預測了160種新的X₃(B₀.₅B₀.₅)A'₃化合物的效能，並選擇了幾種具有潛在套用前景的候選材料進行進一步驗證。這一研究方法不僅提高了材料設計的效率，還為未來開發新型光伏材料提供了有力工具。
總之，這項研究展示了一種創新的材料設計策略，並透過結合第一性原理計算和機器學習，提出了一系列具有高光伏潛力的新材料。該研究為開發高效、穩定的無鉛光伏材料提供了新途徑。隨著這些材料的進一步開發和最佳化，它們有望在未來的太陽能電池和其他光電器件中發揮重要作用。
論文數據連結：
https://github.com/obaica/papers/tree/main/Antiperovskite-Derivatives/Mp024
