无机双钙钛矿异质结Cs2B＇B＇＇X6(B＇=Cu,Ag,Na；B＇＇=Bi,Sb；X=Cl,Br,I)/TiO2光电特性的第一性原理研究

摘要

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因其具有高效率、低成本、易合成等优点一直是光伏领域的研究热点，但是杂化钙钛矿材料的不稳定性和铅元素的毒性严重制约了其在太阳能电池中的广泛应用，因此寻找新型环保的可替代材料十分必要。近期，无铅双钙钛矿因具有类似于杂化钙钛矿的结构和较高的稳定性受到了研究者的广泛关注。本文基于密度泛函理论主要分析了双钙钛矿及其异质结的光电特性，具体内容及其相关结论如下:
　　首先计算了铋基Cs2B'BiX6(B'=Ag，Cu;X=Cl，Br)和锑基Cs2AgSbCl6、Cs2NaSbI6双钙钛矿体相能带结构，其在可见光区域内有良好的光吸收，适宜作太阳能电池的光吸收层;从双钙钛矿价带顶和导带底电荷密度实空间分布得出Cs2B'BiCl6(B'=Ag，Cu)和Cs2AgSbCl6导带底电荷密度分布比较均匀，所以光生电子密度较高。
　　其次研究了铋基双钙钛矿异质结Cs2B'BiX6(B'=Ag，Cu;X=Cl，Br)/TiO2界面原子成键特性以及电荷转移机理。电子局域函数分布得出B'2Bi2X8/TiO2(B'=Ag，Cu;X=Cl，Br)界面中双钙钛矿和TiO2层的原子之间存在较强的共价性;差分电荷密度和电荷积分曲线显示在Cs4X4/TiO2(X=Cl，Br)界面，电荷从双钙钛矿流向TiO2电子传输层，光生载流子有效分离;通过对比异质结界面结构中双钙钛矿和TiO2能带排列得出Cs4X4/TiO2(X=Cl，Br)界面存在较低的能级势垒，从而促进电子从双钙钛矿流向TiO2。
　　最后基于铋基双钙钛矿异质结界面良好的光电性能进一步探究了锑基双钙钛矿异质结Cs2AgSbCl6/TiO2和Cs2NaSbI6/TiO2界面原子成键和电荷传输。同样，在Ag2Sb2Cl8/TiO2和Na2Sb2I8/TiO2界面结构中双钙钛矿和TiO2层的原子之间存在较强的共价性;Cs4Cl4/TiO2界面具有良好的电子传输性能，电荷由Cs2AgSbCl6流向TiO2电子传输层;由异质结界面电子态投影分布得出Cs4I4/TiO2界面中Cs2NaSbI6和TiO2的导带底能级梯度较小，有利于电荷在界面的传输，进而提高太阳能电池光电转换效率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 有机无机杂化钙钛矿太阳能电池

1．2．1 有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的发展

1．2．2 有机无机杂化钙钛矿材料的结构和性质

1．3 无机双钙钛矿材料

1．3．1 无机双钙钛矿材料的研究进展

1．3．2 无机双钙钛矿材料的结构和性质

1．4 本论文的研究内容及意义

第二章 密度泛函理论

2．1 多粒子系统的薛定谔方程

2．2 绝热近似

2．3 密度泛函理论

2．3．2 Hohenberg-Kohn定理

2．3．3 Kohn-Sham方程

2．4．1 LDA近似

2．4．2 GGA近似

2．4．3 杂化密度泛函

2．5 PWscf简介

第三章 无机双钙钛矿Cs2B'B''X6(B'=Cu，Ag，Na；B''=Bi，Sb；X=Cl，Br，I)光电特性研究

3．1 无机双钙钛矿晶体结构

3．2 计算细节

3．3 铋基双钙钛矿Cs2B'BiX6(B'=Ag，Cu；X=Cl，Br)体相电子结构

3．3．1 能带结构和载流子有效质量

3．3．2 电荷密度和电子局域函数分布

3．4 锑基双钙钛矿Cs2AgSbCl6，Cs2NaSbI6体相电子结构

3．4．1 能带结构和载流子有效质量

3．4．2 电荷密度和电子局域函数分布

第四章 铋基双钙钛矿异质结Cs2B'BiX6(B'=Ag，Cu；X=Cl，Br)／TiO2光电特性研究

4．1 铋基异质结构

4．2 计算细节

4．3 铋基异质结界面slab电子结构

4．3．1 Cs2B'BiX6(B'=Ag，Cu；X=Cl，Br)和TiO2 slab能带

4．3．2 Cs2B'BiX6(B'=Ag，Cu；X=Cl，Br)slab电荷密度分布

4．4 界面原子成键分析

4．4．1 界面原子键长

4．4．2 界面原子电子局域函数分布

4．5 界面电荷转移

4．6 局域电荷密度投影

第五章 锑基双钙钛矿异质结Cs2AgSbCl6／TiO2，Cs2NaSbI6／TiO2光电特性研究

5．1 锑基异质结构

5．2 计算细节

5．3 锑基异质结界面slab电子结构

5．3．2 Cs2AgSbCl6和Cs2NaSbI6 slab电荷密度分布

5．4 界面原子成键分析

5．4．1 界面原子键长

5．4．2 界面原子电子局域函数分布

5．5 界面电荷转移

5．6 局域电荷密度投影

总结与展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文