太阳能电池材料光电性能调控的第一性原理研究

摘要

近年来，随着人类能源需求的急速增大和对自然环境的破坏，治理环境污染和发展新型能源迫在眉睫。太阳能是地球上最普遍的可再生能源，如果能充分地将太阳能资源利用起来，势必会缓解我们目前的能源和环境问题。太阳能电池的使用是利用太阳能的有效方式。然而当前制备的很多高效太阳能电池含有重金属，对环境和人体造成伤害，又或者是存在不稳定、制作成本高昂等问题。因此通过调控手段实现高性能又环保的太阳能电池材料具有重要意义。本文基于第一性原理的计算方法，紧紧围绕如何提高太阳能电池的光电转化率，对CdTe/MoS2异质结和RbGe1-xSnxI3的能带结构、态密度、有效质量、光吸收光谱进行了计算并分析了微观机理，结果如下：　　1.搭建了Ⅱ型异质结CdTe/MoS2，通过计算其电子结构得到其带隙值为0.64eV，异质结的搭建可以有效地降低单体的带隙值；此外，研究表明光生电子从CdTe转移至MoS2层，这促进了光生电子和空穴的分离，提高了光电转换效率。由于此异质结具有窄带隙，它对近红外，可见光以及紫外光均有响应。此外，我们还探究了CdTe/MoS2异质结光催化水分解制氢的可能性，结果表明此异质结可以有效地吸附水分子，同时释放氢气分子，具备催化制氢的能力。以上理论预测证明，CdTe/MoS2异质结构在高效太阳能电池和光催化方面具有广泛的应用潜力。　　2．研究混合金属钙钛矿RbGe1-xSnxI3中金属元素不同的掺杂比例及不同的掺杂位置对结构和电子性能的影响。结果表明混合金属钙钛矿的带隙值比纯Sn和Ge基钙钛矿的带隙更窄，并且拥有更好的电子和空穴传输性能。此外，以RbGe0.50Sn0.50I3为例研究掺杂位置的影响，表明在赤道平面中掺杂Sn原子比其他两个平面拥有更好的传输和光学性质。以上结果表明，对掺杂金属原子比例和位置进行调控可以有效地改善器件的光电性能。

目录

第 1 章 绪论

1.1太阳能电池材料

1.1.1太阳能电池基本原理

1.1.2 太阳能电池历史发展进程

1.2 太阳能电池分类

1.2.1 按组成的材料分类

1.2.2 按电池的结构分类

1.3 对太阳能电池材料光电性能的调控

1.3.1 掺杂调控光电性能

1.3.2 构建异质结调控光电性能

1.3.3 应力调控光电性能

1.3.4 层数变化调控光电性能

1.4 本文的选题意义和研究内容

第 2 章 理论基础和计算方法

2.1 引言

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理

2.2.2 Kohn-Sham 方程

2.3 交换关联泛函分析

2.3.1 局域密度近似(LDA)

2.3.2 广义梯度近似(GGA)

2.4 杂化泛函 HSE06 理论

2.5 DFT 计算的基本要求

2.5.1 布里渊区和 K 点的选取

2.5.2 截断能

2.5.2 赝势方法

2.6 Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)简介

第3章CdTe/MoS2异质结电子结构和光学性质的研究

3.1 引言

3.2 光催化水分解的原理和方法

3.3计算方法

3.4 结果与讨论

3.4.1 CdTe/MoS2异质结的几何结构

3.4.2 能带结构分析

3.4.3 态密度分析

3.4.4 光学性质

3.4.5 分子(H2O，H2)在 CdTe/MoS2异质结构上的吸附

3.5 本章小结

第 4 章 无铅混合无机钙钛矿 RbGe1-xSnxI3光电性能理论研究

4.1引言

4.2计算方法

4.3结果和讨论

4.3.1 钙钛矿 RbGe1-xSnxI3的几何结构

4.3.2 电子结构分析

4.3.3 光学性质

4.4本章小结

结论和展望

参考文献

致 谢

附录A攻读硕士学位期间所发表和提交的学术论文