Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

寻找清洁能源的研究长期以来一直聚焦于那些能够捕捉阳光并以卓越效率将其转化为电能的材料。在这些最有希望的候选材料中，有一类被称为钙钛矿（perovskites）的晶体，它们近期彻底改变了太阳能领域。这些材料由特定的原子排列组成，使其能够强烈吸收光线并快速移动电荷。多年来，这些晶体最有效的版本一直依赖于铅，这种元素使它们的性能表现异常出色，但也引入了一个严重的问题：铅具有毒性。它对人类健康和环境构成重大风险，会影响神经系统和器官，并可能在土壤和水中累积。这为科学家们制造了一个艰难的困境：如何在保持这些太阳能材料的高性能的同时，去除使其具有危险性的有害元素。

在 2026 年 8 月发表的一项研究中，来自印度贾米亚米利亚伊斯兰大学（Jamia Millia Islamia）的研究人员 Hasan Abbas 和 Zishan H. Khan 针对这一挑战展开了研究，他们对比了标准的铅基晶体与一种新型的无铅替代品。他们致力于在实验室中制备两种特定的材料：含有铅的众所周知的甲基铵碘化铅，以及一种名为甲基铵碘化铋的新型化合物，后者用铋取代了铅，而铋是一种安全得多的元素。研究团队不仅仅是混合化学物质；他们通过在玻璃板上精心生长这些材料的薄膜，然后对其进行了一系列测试，以观察它们的结构特征以及它们如何与光相互作用。他们的目标是了解这种更安全的铋版本是否能够匹配铅版本的结构质量和吸光能力，或者是否会在某些方面表现不足，从而阻碍其在现实世界太阳能电池板中的应用。

研究人员首先使用液相溶液法合成这两种材料，这一过程涉及将原材料溶解在溶剂中，然后将其干燥形成固体薄膜。薄膜制备完成后，他们利用高倍显微镜观察其微观形态。图像显示，无铅的铋薄膜异常光滑且致密，缺乏铅基版本中偶尔会出现的微小孔洞或缝隙。铋晶体形成的结构也比铅的对应物略大。当团队利用 X 射线衍射技术（一种可以揭示晶体结构的手段）观察其内部原子排列时，他们发现铋材料实际上比铅材料更加有序且均匀。这种更高程度的有序性表明，无铅薄膜具有极高的质量，在物理结构方面甚至可能优于传统的铅版本。

接下来，团队将注意力转向这些材料如何处理光线，这是太阳能电池最关键的因素。他们照射了从紫外线到红外线的广泛颜色范围的光谱，以观察吸收了多少光以及透过了多少光。结果显示，两种材料都非常擅长捕捉光线，但它们的方式略有不同。铅基材料在 760 纳米波长处吸收最强，而铋材料的峰值则在 530 纳米。铅版本能够吸收更宽范围的可见光谱，这是产生电力的关键优势。研究人员还计算了光在材料中的传播方式，发现无铅薄膜更加均匀，缺陷较少，不易散射光线。这种均匀性结合显微镜图像中观察到的光滑表面，表明铋材料具有非常一致的内部结构。

关于能量间隙（即释放电子以携带电流所需的特定能量量）的研究，是最为显著的发现。铅基材料的能量间隙为 1.65 电子伏特，这个数值非常接近单层太阳能电池的理论理想值。这种近乎完美的匹配解释了为什么铅基钙钛矿在将阳光转化为电能方面如此成功。相比之下，无铅铋材料具有更宽的 2.23 电子伏特能量间隙。虽然这个数值仍然有用，但这意味着该材料吸收的是太阳光谱的不同部分，并且在捕捉全光谱阳光方面的效率低于铅版本。研究还观察了材料在吸收光后的发光情况，这是一个被称为光致发光的现象。铅材料在 760 纳米处发光，而铋材料在 590 纳米处发光，这证实了它们能量间隙的差异。

最终，这项研究描绘了两类具有不同优势的材料图景。无铅铋钙钛矿在许多方面表现出结构上的优越性，形成了比铅版本更光滑、更均匀且缺陷更少的薄膜。它还免除了使铅变得危险的毒性问题。然而，铅基材料保留了一个至关重要的优势：其能量间隙更接近太阳能发电的理想值，从而能够收集更多的阳光能量。研究人员得出结论，虽然无铅选项展现出了巨大的潜力并具有更好的形貌特性，但它仍需要进一步优化，才能达到其铅基对手的效率水平。这项工作表明，未来的路径在于改进这些更安全的材料，例如通过调整其成分，使其性能向高标准（即那些虽有毒但高效的铅晶体所设定的标准）靠拢。