钙钛矿型太阳能电池材料CH3NH3SnI3的第一性原理研究

摘要

太阳能电池是一种利用太阳能的发电装置，它绿色环保无污染，并且可以重复使用。钙钛矿太阳能电池凭借其吸光系数高、载流子输运能力强、器件效率高并且制备成本低廉等优点，近年来吸引了众多科研工作者的关注，并且其光电转换效率不断提升，这种电池材料目前是新能源电池领域的重要研究方向。
　　利用第一性原理软件VASP计算了本征、掺杂和表面钙钛矿太阳能电池材料的结构和性能。计算结果表明本征CH3NH3SnI3材料是直接带隙的半导体材料，HSE06方法对材料光学性质的计算准确性很高。对卤族元素的掺杂改变了材料能带曲线的形状和分布，这与理论值和计算值相符，验证了本文计算方法的准确性。
　　利用考虑范德华力的DFT-D2方法对材料的静态平衡结构进行了优化，计算表明，CH3NH3SnI3材料只有在范德华力的作用下才可以达到平衡的晶格常数，并且体系的能量会明显降低，结果表明，材料内部的范德华力来源于有机基团和Sn-X八面体网格之间的分子间作用力。几何优化得到的晶格参数为a=b=8.75(A)，c=12.45(A)，与实验值取得了很好的一致。不同方法对CH3NH3SnI3能带的计算结果差别较大，使用DFT、HSE和GW的计算的带隙宽度结果分别是0.57eV，0.91eV和1.34eV，其中HSE和GW方法计算结果和实验值1.2eV较为接近。
　　本征CH3NH3SnI3材料的能带中靠近费米面的导带底和价带顶主要是由Sn-I框架组成，Sn和I之间存在着一定的共价键。CH3NH3SnI3材料的导带部分主要由Sn的5p电子轨道构成，电子态密度的计算表明靠近费米面的价带电子比导带电子更活跃，所以材料价带电子跃迁的潜力很大。Sn原子活跃的5p和5s电子之间产生s-p轨道耦合，I的5p轨道也对导带有部分的贡献。
　　掺杂体系的电子结构计算结果表明，使用Cl和Br原子掺杂可以有效改变材料的禁带宽度，并且掺杂原子越多，材料的禁带宽度越高。这是因为Cl和Br的原子轨道改变了材料能带结构中导带底和价带顶的形状和位置，使得电子态疏远了费米能级。任何卤族原子位的掺杂都不改变材料的带隙类型，各个体系仍旧保持直接带隙半导体，Cl原子的掺杂可以有效地使材料的费米能级附近的能带曲线更为平缓，并且Cl原子对材料的带隙宽度增加较多。
　　(100)晶面和(010)晶面的表面能很接近，是因为二者的结构差别不大，而(001)晶面的表面能则比前两者降低很多，是因为经过表面重构后原子之间的相对位置移动，对能量的降低起到了明显的作用。(001)晶面的介电函数虚部曲线在能量为4eV时出现在0以下，结合光谱可知(001)表面在400到500nm波长的光谱范围内，其光谱强度明显优于其它两者。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 钙钛矿型太阳能电池材料和器件的研究

1．2．2 掺杂体系钙钛矿型太阳能电池材料的研究

1．2．3 使用第一性原理研究钙钛矿太阳能电池的进展

1．3 目前存在的问题

1．4 本文主要研究内容

参考文献

第二章 理论基础与计算方法

2．1 密度泛函理论

2．2 DFT-D2方法

2．3 杂化泛函方法

2．4 Wannier90函数和GW方法

2．5 电子结构

2．5．1 能带结构

2．5．2 电子态密度

2．6 介电函数和吸收光谱

2．6．1 介电函数

2．6．2 吸收光谱

2．7 本章小结

参考文献

第三章 本征钙钛矿型太阳能电池的第一性原理计算

3．1 引言

3．2 模型与结构优化

3．3 能带结构的计算和分析

3．4 电子态密度的计算和分析

3．5 光学性质的计算和分析

3．6 本章小结

参考文献

第四章 掺杂钙钛矿型太阳能电池的第一性原理计算

4．1 引言

4．2 模型与计算方法

4．3 能带结构

4．4 电子态密度

4．5 光学性质

4．6 本章小结

参考文献

第五章 钙钛矿型太阳能电池表面性质的第一性原理计算

5．1 引言

5．2 模型与计算方法

5．2 表面结构的计算和分析

5．3 电子结构的计算和分析

5．4 光学性质的计算和分析

5．5 本章小结

参考文献

第六章 结论

致谢

攻读硕士期间发表的论文