在Rb2AsAuBr6和Rb2AsAuCl6双钙钛矿中实现协同光电与热电性能以用于多功能能源转换

为何一种能兼顾两种功能的材料至关重要

现代社会需要能够最大限度从阳光和废热中提取有用能量的材料。如今的太阳能电池主要将光转换为电能，而热电器件则独立地将热能转换为电力。本研究考察了两种新设计的晶体，这些晶体有望同时完成这两项任务，为更紧凑、更高效的能量收集技术提供可能路径。

构件的有序原子排列

本文涉及的材料属于被称为双钙钛矿的家族，这类材料将不同原子以高度有序的三维结构排列。研究人员关注两种相关化合物，它们含有铷、砷、金以及溴或氯。通过先进的计算机模拟，他们首先问了一个基本问题：这些晶体在现实中能否稳定存在？通过研究其结构和弹性行为，他们发现两种材料在力学和热力学上都稳定，且基于氯的晶体表现出略高的刚性和更致密的结构，而基于溴的则更为柔性且空间更大。

它们如何与光相互作用

要用于太阳能和光电器件，材料必须吸收可见光并将电子激发到更高能态。计算表明，两种晶体都是半导体，能隙——控制光吸收的能量区间——非常适合太阳能应用。溴基晶体的能隙较小，这意味着它在较低光子能量下即可开始吸收光，而氯基晶体则需要略高能量的光。两者在可见光和紫外波段都有较强的吸收，其吸收强度可与已知的太阳吸收材料相媲美。这表明它们有可能在薄层中高效捕获阳光，这是轻量化和柔性太阳能技术所期望的特性。

把热变成电

除了光能收集外，团队还评估了这些材料将温差转换为电压的能力，这一性能由Seebeck系数衡量。两种晶体都表现出相对较大的正Seebeck值，表明它们天然偏好正电荷载流子，并能从温度梯度中产生显著电压。同时，它们的电导率适中，更关键的是热导率很低。高Seebeck系数、良好电导率与低热导率的组合正是优异热电性能所需的要素。研究估算两种化合物的总体热电性能因子（ZT）约为0.75，这在许多已知热电材料中具有竞争力。

原子振动内部发生了什么

研究人员还探查了原子振动如何传递热量并如何响应温度与压力变化。分析表明，沉重的金原子以及复杂的键合环境扰乱了振动能量的平稳传递，使晶格热传输显著降低。计算得出的热容、熵、德拜温度和热膨胀等性质在宽温区间内均表现出物理上合理的变化，进一步支持了这些晶体在实际器件工作条件下应能保持稳定的结论。

这项工作对未来器件的意义

简言之，该研究鉴定出两种密切相关的材料，预测它们能强烈吸收阳光、产生有用电流，并且还能从热中收集电能，同时保持稳定且易于加工。溴基晶体更倾向于更强的光吸收和更高的热电响应，而氯基晶体则略显更坚固、更耐热。二者一起展示了精细的原子设计如何产生能够跨越太阳能与热电技术之间鸿沟的“多功能”材料，可能使器件在单一固态平台上同时捕获光能和废热成为可能。

引用: Bouferrache, K., Ghebouli, M.A., Fatmi, M. et al. Synergistic optoelectronic and thermoelectric performance in Rb₂AsAuBr₆ and Rb₂AsAuCl₆ double perovskites for multifunctional energy conversion. Sci Rep 16, 13616 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42440-z

关键词: 双钙钛矿, 太阳能, 热电材料, 能量收集, 卤化物半导体