Lighting accounts for one-fifth of global electricity consumption1. Single materials with efficient and stable white-light emission are ideal for lighting applications, but photon emission covering the entire visible spectrum is difficult to achieve using a single material. Metal halide perovskites have outstanding emission properties2,3; however, the best-performing materials of this type contain lead and have unsatisfactory stability. Here we report a lead-free double perovskite that exhibits efficient and stable white-light emission via self-trapped excitons that originate from the Jahn–Teller distortion of the AgCl6 octahedron in the excited state. By alloying sodium cations into Cs2AgInCl6, we break the dark transition (the inversion-symmetry-induced parity-forbidden transition) by manipulating the parity of the wavefunction of the self-trapped exciton and reduce the electronic dimensionality of the semiconductor4. This leads to an increase in photoluminescence efficiency by three orders of magnitude compared to pure Cs2AgInCl6. The optimally alloyed Cs2(Ag0.60Na0.40)InCl6 with 0.04 per cent bismuth doping emits warm-white light with 86 ± 5 per cent quantum efficiency and works for over 1,000 hours. We anticipate that these results will stimulate research on single-emitter-based white-light-emitting phosphors and diodes for next-generation lighting and display technologies. After alloying with metal cations, a lead-free halide double perovskite shows stable performance and remarkably efficient white-light emission, with possible applications in lighting and display technologies.

Although β-CsPbI3 has a bandgap favorable for application in tandem solar cells, depositing and stabilizing β-CsPbI3 experimentally has remained a challenge. We obtained highly crystalline β-CsPbI3 films with an extended spectral response and enhanced phase stability. Synchrotron-based x-ray scattering revealed the presence of highly oriented β-CsPbI3 grains, and sensitive elemental analyses-including inductively coupled plasma mass spectrometry and time-of-flight secondary ion mass spectrometry-confirmed their all-inorganic composition. We further mitigated the effects of cracks and pinholes in the perovskite layer by surface treating with choline iodide, which increased the charge-carrier lifetime and improved the energy-level alignment between the β-CsPbI3 absorber layer and carrier-selective contacts. The perovskite solar cells made from the treated material have highly reproducible and stable efficiencies reaching 18.4% under 45 ± 5°C ambient conditions.

Hybrid organic-inorganic halide perovskites with the prototype material of CH3NH3PbI3 have recently attracted intense interest as low-cost and high-performance photovoltaic absorbers. Despite the high power conversion efficiency exceeding 20% achieved by their solar cells, two key issues-the poor device stabilities associated with their intrinsic material instability and the toxicity due to water-soluble Pb2+-need to be resolved before large-scale commercialization. Here, we address these issues by exploiting the strategy of cation-transmutation to design stable inorganic Pb-free halide perovskites for solar cells. The idea is to convert two divalent Pb2+ ions into one monovalent M+ and one trivalent M3+ ions, forming a rich class of quaternary halides in double-perovskite structure. We find through first-principles calculations this class of materials have good phase stability against decomposition and wide-range tunable optoelectronic properties. With photovoltaic-functionality-directed materials screening, we identify 11 optimal materials with intrinsic thermodynamic stability, suitable band gaps, small carrier effective masses, and low excitons binding energies as promising candidates to replace Pb-based photovoltaic absorbers in perovskite solar cells. The chemical trends of phase stabilities and electronic properties are also established for this class of materials, offering useful guidance for the development of perovskite solar cells fabricated with them.

The low toxicity and a near-ideal choice of bandgap make tin perovskite an attractive alternative to lead perovskite in low cost solar cells. However, the development of Sn perovskite solar cells has been impeded by their extremely poor stability when exposed to oxygen. We report low-dimensional Sn perovskites that exhibit markedly enhanced air stability in comparison with their 3D counterparts. The reduced degradation under air exposure is attributed to the improved thermodynamic stability after dimensional reduction, the encapsulating organic ligands, and the compact perovskite film preventing oxygen ingress. We then explore these highly oriented low-dimensional Sn perovskite films in solar cells. The perpendicular growth of the perovskite domains between electrodes allows efficient charge carrier transport, leading to power conversion efficiencies of 5.94% without the requirement of further device structure engineering. We tracked the performance of unencapsulated devices over 100 h and found no appreciable decay in efficiency. These findings raise the prospects of pure Sn perovskites for solar cells application.

We report density functional calculations of the electronic structure, Fermi surface, phonon spectrum, magnetism, and electron-phonon coupling for the superconducting phase FeSe, as well as the related compounds FeS and FeTe. We find that the Fermi-surface structure of these compounds is very similar to that of the Fe-As based superconductors, with cylindrical electron sections at the zone corner, cylindrical hole surface sections, and depending on the compound, other small hole sections at the zone center. As in the Fe-As based materials, these surfaces are separated by a two-dimensional nesting vector at $(\ensuremath{\pi},\ensuremath{\pi})$. The density of states, nesting, and Fermi-surface size increase, going from FeSe to FeTe. Both FeSe and FeTe show spin-density wave (SDW) ground states, while FeS is close to instability. In a scenario where superconductivity is mediated by spin fluctuations at the SDW nesting vector, the strongest superconductor in this series would be doped FeTe.

Cesium lead halide (CsPbX3) perovskite nanocrystals (NCs) have demonstrated extremely excellent optical properties and great application potentials in various optoelectronic devices. However, because of the anion exchange, it is difficult to achieve white-light and multicolor emission for practical applications. Herein, we present the successful doping of various lanthanide ions (Ce3+, Sm3+, Eu3+, Tb3+, Dy3+, Er3+, and Yb3+) into the lattices of CsPbCl3 perovskite NCs through a modified hot-injection method. For the lanthanide ions doped perovskite NCs, high photoluminescence quantum yield (QY) and stable and widely tunable multicolor emissions spanning from visible to near-infrared (NIR) regions are successfully obtained. This work indicates that the doped perovskite NCs will inherit most of the unique optical properties of lanthanide ions and deliver them to the perovskite NC host, thus endowing the family of perovskite materials with excellent optical, electric, or magnetic properties.

The mixed halide perovskites have emerged as outstanding light absorbers for efficient solar cells. Unfortunately, it reveals inhomogeneity in these polycrystalline films due to composition separation, which leads to local lattice mismatches and emergent residual strains consequently. Thus far, the understanding of these residual strains and their effects on photovoltaic device performance is absent. Herein we study the evolution of residual strain over the films by depth-dependent grazing incident X-ray diffraction measurements. We identify the gradient distribution of in-plane strain component perpendicular to the substrate. Moreover, we reveal its impacts on the carrier dynamics over corresponding solar cells, which is stemmed from the strain induced energy bands bending of the perovskite absorber as indicated by first-principles calculations. Eventually, we modulate the status of residual strains in a controllable manner, which leads to enhanced PCEs up to 20.7% (certified) in devices via rational strain engineering.

Abstract MicroRNA exhibits differential expression levels in cancer and can affect cellular transformation, carcinogenesis and metastasis. Although fluorescence techniques using dye molecule labels have been studied, label-free molecular-level quantification of miRNA is extremely challenging. We developed a surface plasmon resonance sensor based on two-dimensional nanomaterial of antimonene for the specific label-free detection of clinically relevant biomarkers such as miRNA-21 and miRNA-155. First-principles energetic calculations reveal that antimonene has substantially stronger interaction with ssDNA than the graphene that has been previously used in DNA molecule sensing, due to thanking for more delocalized 5 s /5 p orbitals in antimonene. The detection limit can reach 10 aM, which is 2.3–10,000 times higher than those of existing miRNA sensors. The combination of not-attempted-before exotic sensing material and SPR architecture represents an approach to unlocking the ultrasensitive detection of miRNA and DNA and provides a promising avenue for the early diagnosis, staging, and monitoring of cancer.

Two-dimensional Ruddlesden–Popper phase (2DRP) perovskites are known to exhibit improved photostability and environmental stability compared with their three-dimensional (3D) counterparts. However, fundamental questions remain over the interaction between the bulky alkylammoniums and the 2DRP perovskite framework. Here, we unambiguously demonstrate that a sulfur–sulfur interaction is present for a new bulky alkylammonium, 2-(methylthio)ethylamine hydrochloride (MTEACl). In addition to a weaker van der Waals interaction, the interaction between sulfur atoms in two MTEA molecules enables a (MTEA)2(MA)4Pb5I16 (n = 5) perovskite framework with enhanced charge transport and stabilization. The result is 2DRP perovskite solar cells with significantly improved efficiency and stability. Cells with a power conversion efficiency as high as 18.06% (17.8% certified) are achieved, along with moisture tolerance for up to 1,512 h (under 70% humidity conditions), thermal stability for 375 h (at 85 °C) and stability under continuous light stress (85% of the initial efficiency retained over 1,000 h of operation at the maximum power point). Two-dimensional perovskite solar cells have been engineered to be robust against moisture, high temperatures and light stress.

Graphene nanosheet (GNS)/Co3O4 composite has been rapidly synthesized by microwave-assisted method. Field emission scanning electron microscopy and transmission electron microscopy observation reveals the homogeneous distribution of Co3O4 nanoparticles (3–5 nm in size) on graphene sheets. Electrochemical properties are characterized by cyclic voltammetry, galvanostatic charge/discharge and electrochemical impedance spectroscopy. A maximum specific capacitance of 243.2 F g−1 has been obtained at a scan rate of 10 mV s−1 in 6 M KOH aqueous solution for GNS/Co3O4 composite. Furthermore, the composite exhibits excellent long cycle life along with ∼95.6% specific capacitance retained after 2000 cycle tests.