鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池材料CH3NH3SnI3的第一性原理研究.pdf

1、太陽(yáng)能電池是一種利用太陽(yáng)能的發(fā)電裝置，它綠色環(huán)保無(wú)污染，并且可以重復(fù)使用。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池憑借其吸光系數(shù)高、載流子輸運(yùn)能力強(qiáng)、器件效率高并且制備成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)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(jì)算了本征、摻雜和表面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料的結(jié)構(gòu)和性能。計(jì)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(duì)材料光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算準(zhǔn)確性很高。對(duì)鹵族元素的摻雜改變了材料能帶曲線(xiàn)的形狀和分布，這與理論值和計(jì)算值相符，驗(yàn)證了本文計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。
　　利用考慮范德華力的DFT-D2方法對(duì)材料的靜態(tài)平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，計(jì)算表明，CH3NH3SnI3材料只有在范德華力的作用下才可以達(dá)到平衡的晶格常數(shù)，并且體系的能量會(huì)明顯降低，結(jié)果表明，材料內(nèi)部的范德華力來(lái)源于有機(jī)基團(tuán)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(shí)驗(yàn)值取得了很好的一致。不同方法對(duì)CH3NH3SnI3能帶的計(jì)算結(jié)果差別較大，使用DFT、HSE和GW的計(jì)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(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值1.2eV較為接近。
　　本征CH3NH3SnI3材料的能帶中靠近費(fèi)米面的導(dǎo)帶底和價(jià)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(jià)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(jì)算表明靠近費(fèi)米面的價(jià)帶電子比導(dǎo)帶電子更活躍，所以材料價(jià)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(duì)導(dǎo)帶有部分的貢獻(xiàn)。
　　摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)計(jì)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?yàn)镃l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(jià)帶頂?shù)男螤詈臀恢?，使得電子態(tài)疏遠(yuǎn)了費(fèi)米能級(jí)。任何鹵族原子位

5、的摻雜都不改變材料的帶隙類(lèi)型，各個(gè)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(fèi)米能級(jí)附近的能帶曲線(xiàn)更為平緩，并且Cl原子對(duì)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?yàn)槎叩慕Y(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?yàn)榻?jīng)過(guò)表面重構(gòu)后原子之間的相對(duì)位置移動(dòng)，對(duì)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(xiàn)在能量為4eV時(shí)出現(xiàn)在0以下，結(jié)合光譜可知