鈣鈦礦型太陽能電池材料CH3NH3SnI3的第一性原理研究.pdf

1、太陽能電池是一種利用太陽能的發(fā)電裝置，它綠色環(huán)保無污染，并且可以重復(fù)使用。鈣鈦礦太陽能電池憑借其吸光系數(shù)高、載流子輸運能力強、器件效率高并且制備成本低廉等優(yōu)點，近年來吸引了眾多科研工作者的關(guān)注，并且其光電轉(zhuǎn)換效率不斷提升，這種電池材料目前是新能源電池領(lǐng)域的重要研究方向。
　　利用第一性原理軟件VASP計算了本征、摻雜和表面鈣鈦礦太陽能電池材料的結(jié)構(gòu)和性能。計算結(jié)果表明本征CH3NH3SnI3材料是直接帶隙的半導(dǎo)體材料，HSE06方

2、法對材料光學(xué)性質(zhì)的計算準確性很高。對鹵族元素的摻雜改變了材料能帶曲線的形狀和分布，這與理論值和計算值相符，驗證了本文計算方法的準確性。
　　利用考慮范德華力的DFT-D2方法對材料的靜態(tài)平衡結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，計算表明，CH3NH3SnI3材料只有在范德華力的作用下才可以達到平衡的晶格常數(shù)，并且體系的能量會明顯降低，結(jié)果表明，材料內(nèi)部的范德華力來源于有機基團和Sn-X八面體網(wǎng)格之間的分子間作用力。幾何優(yōu)化得到的晶格參數(shù)為a=b=8.7

3、5(A)，c=12.45(A)，與實驗值取得了很好的一致。不同方法對CH3NH3SnI3能帶的計算結(jié)果差別較大，使用DFT、HSE和GW的計算的帶隙寬度結(jié)果分別是0.57eV，0.91eV和1.34eV，其中HSE和GW方法計算結(jié)果和實驗值1.2eV較為接近。
　　本征CH3NH3SnI3材料的能帶中靠近費米面的導(dǎo)帶底和價帶頂主要是由Sn-I框架組成，Sn和I之間存在著一定的共價鍵。CH3NH3SnI3材料的導(dǎo)帶部分主要由Sn的5

4、p電子軌道構(gòu)成，電子態(tài)密度的計算表明靠近費米面的價帶電子比導(dǎo)帶電子更活躍，所以材料價帶電子躍遷的潛力很大。Sn原子活躍的5p和5s電子之間產(chǎn)生s-p軌道耦合，I的5p軌道也對導(dǎo)帶有部分的貢獻。
　　摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明，使用Cl和Br原子摻雜可以有效改變材料的禁帶寬度，并且摻雜原子越多，材料的禁帶寬度越高。這是因為Cl和Br的原子軌道改變了材料能帶結(jié)構(gòu)中導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)男螤詈臀恢?，使得電子態(tài)疏遠了費米能級。任何鹵族原子位

5、的摻雜都不改變材料的帶隙類型，各個體系仍舊保持直接帶隙半導(dǎo)體，Cl原子的摻雜可以有效地使材料的費米能級附近的能帶曲線更為平緩，并且Cl原子對材料的帶隙寬度增加較多。
　　(100)晶面和(010)晶面的表面能很接近，是因為二者的結(jié)構(gòu)差別不大，而(001)晶面的表面能則比前兩者降低很多，是因為經(jīng)過表面重構(gòu)后原子之間的相對位置移動，對能量的降低起到了明顯的作用。(001)晶面的介電函數(shù)虛部曲線在能量為4eV時出現(xiàn)在0以下，結(jié)合光譜可知