钙钛矿建模

利用第一性原理对甲胺碘铅进行结构模拟及性能研究

目录

摘要 .................................................................................................................................................. 2 关键词 .............................................................................................................................................. 2 一、绪论........................................................................................................................................... 2

1.1钙钛矿太阳电池的结构与原理 ........................................................................................ 2 1.2CH3NH3PbX3钙钛矿的结构和性能 ....................................................................................... 3 1.3选题的意义 ........................................................................................................................ 4 二、CH3NH3PBI3钙钛矿结构的构建 .............................................................................................. 4

2.1CH3NH3PbI3钙钛矿的主要参数 ........................................................................................... 4 2.2建立几何模型 .................................................................................................................... 5

2.2.1建立晶格 ................................................................................................................ 5 2.2.2添加原子 ................................................................................................................ 5 2.3利用Reflex模块进行粉末衍射图谱 .............................................................................. 6 三、对晶体进行优化结构 ............................................................................................................... 7

3.1结构优化 ............................................................................................................................ 7

3.1.1参数设置 ................................................................................................................ 8 3.1.2运行结果显示 ........................................................................................................ 8 3.2能量计算 ............................................................................................................................ 9

3.2.1参数设置 ................................................................................................................ 9 3.2.2运行结构显示 ...................................................................................................... 10 3.3计算结果分析 .................................................................................................................. 11 四、CH3NH3PbI3钙钛矿几何结构延伸 ........................................................................................ 12

4.1Sn的掺杂对钙钛矿电池的能带结构的影响 .................................................................. 13

4.1.1Reflex粉末衍射图 .............................................................................................. 13 4.1.2几何优化 .............................................................................................................. 14 4.1.3能量计算 .............................................................................................................. 15 4.1.4计算结果分析 ...................................................................................................... 16 4.2掺杂CH3NH3PbI3钙钛矿的几何机构及其分析 ............................................................ 17

4.2.1Reflex粉末衍射图 .............................................................................................. 18 4.2.2几何优化 .............................................................................................................. 19 4.2.3能量计算 .............................................................................................................. 19 4.2.4计算结果分析 ...................................................................................................... 21

五、结论......................................................................................................................................... 22 六、致谢......................................................................................................................................... 22 参考文献......................................................................................................................................... 22

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摘要

钙钛矿型甲胺碘铅薄膜太阳能电池因其结构简单、制备成本低廉等优点吸引了科研工作者的关注。其光电转换效率在近5年内从3.8%迅速提高到15%以上，高于非晶硅的太阳电池效率，被Science评选为2013年十大科学突破之一。

本文主要是用Material Studio通过对CH3NH3PbI3钙钛矿建立晶体模型后，利用第一性原理对有机金属钙钛矿CH3NH3PbI3及其延伸结构进行结构模拟、能带分析和性能研究。

关键词：第一性原理 ; CH3NH3PbI3钙钛矿; 能带结构 一、 绪论

1.1钙钛矿太阳电池的结构与原理

钙钛矿是指CaTiO3,化学式是CaTiO3，是一种立方晶系的氧化物，是俄国化学家佩罗夫斯基发现的。

钙钛矿太阳能电池结构由掺杂氟SnO2(fluorine-oxide,FTO)导电玻璃、电子传输层（ETM）、钙钛矿吸收层（如CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3、CH3NH3PbBr3等）、空穴传输层（HTM）和金属对电极组成。电子传输层（ETM）多为ZnO、TiO2等，空穴传输层（HTM）多为Spiro-OMeTad、FTAA、H3MT、PEDOT、PASS等固态介质材料。

图 1.1 钙钛矿太阳能电池结构示意图

当钙钛矿吸收层吸收阳光受激后，产生电子空穴对，激子在吸收层运动至ETM/钙钛矿吸收层/HTM界面后发生分离，电子注入ETM层（阳极），空穴注入到HTM(阴极)，最后经

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外部电路循环在金属对电极复合形成回路电流。

图1.2 钙钛矿太阳能电池原理示意图

1.2CH3NH3PbX3钙钛矿的结构和性能

理想钙钦矿结构的化学式为ABX3,属pm-3m空间群,整个结构可以描述为BX6八面体顶点相连形成钙钦矿结构的基本骨架,A位离子填充于所有形成的12配位的空隙中,也可看作A离子与X离子形成立方密堆结构,B位离子填充于八面体空隙中\这种结构具有很强的A一X和B一键平衡键长间的不匹配容忍度,可以通过BX6八面体扭转及A或B离子的位移转化为其他低对称空间群结构。而其中的有机金属卤化物钙钛矿作为敏化剂近年来被用于研究敏化太阳电池，得到飞速发展。其化学式为CH3NH3PbX3，其中X=Cl，Br或I。其中A=CH3NH3，B=Pb，X=Cl，Br或I。虽然有机无机杂化钙钛矿的晶体结构和原始钙钛矿的结构类似，但取代其晶胞位置的不是一个原子，而是一个有机的原子团。原子团中含有C-H和N-H键，这些键不够稳定，导致其空间结构也容易倾斜发生改变，而晶体结构的改变伴随着能量的释放，这就是有机无机钙钛矿的导电原理。

CH3NH3PbX3钙钛矿作为新型染料敏化太阳能电池的关键原料，自2012以来，在国内外太阳能电池材料领域成为新的、重点研究的方向。而其中CH3NH3PbX3钙钛矿的的晶体结构和光电转换效率是其中的重中之重。CH3NH3PbX3钙钛矿太阳电池不仅具有较高的能量转换效率，而且其核心光电转换材料具有廉价、可溶液制备的特点，便于采用不需要真空条件的卷对卷技术制备，这为CH3NH3PbX3钙钛矿太阳电池的大规模、低成本制造提供可能。不仅如此，CH3NH3PbX3钙钛矿太阳电池还可以制备在柔性衬底上，便于应用在各种柔性电子产品中，例如可穿戴的电子设备、折叠式军用帐篷等。

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与传统的染料敏化太阳电池相比，CH3NH3PbX3钙钛矿太阳电池不需要液体电解质，不用担心太阳电池的漏液问题。与有机光伏器件相比，CH3NH3PbX3钙钛矿太阳电池的核心光电转换材料是有机-无机杂化材料，材料的耐候性可能会优于有机光伏器件中使用的有机半导体材料。这些优点可能会使钙钛矿太阳电池在实际使用中具有比染料敏化太阳电池和有机光伏器件更好的性能稳定性和更长的使用寿命[i]。基于上述原因，钙钛矿太阳电池具有非常光明的产业化前景，是现有商业太阳电池最有潜力的竞争者。 1.3选题的意义

随着节能减排的进行，倡导发展可持续社会，发展和利用新能源都是重中之重。太阳能作为一种安全、无污染、可再生等优点，具有其特殊的优势。但是目前太阳能电池由于相对煤炭发电成本高，以及转换效率低等缺点限制其发展规模。所以研究和发现新的材料作为太阳能电池具有重大意义。钙钛矿近年来作为一种热门的材料，利用当下先进的计算机模拟软件对、相应的钙钛矿材料进行模拟分析，得知它的晶格参数、性能及各种深入研究有很大帮助。

二、CH3NH3PBI3钙钛矿结构的构建

采用基于第一性原理密度泛函理论的平面波赝势方法，对CH3NH3PbI3钙钛矿晶体进行了优化，并对其能带结构，态密度等进行了理论计算。理论计算主要用到了MS软件中的CASTEP(Cambridge Serial Total Engery Package)模块进行能量计算。CASTEP是基于密度泛函理论的从头算量子力学程序，利用总能量平面波赝势方法，将离子势用赝势代替，电子波函数通过平面波基组展开，电子-电子的交换和关联作用由局域密度近似（local density approximation,LDA）或广义梯度近似（general gradient approximation,GGA）校正，是目前材料科学计算中使用非常广泛的电子结构计算方法。

经过查阅CH3NH3PbI3钙钛矿相关资料，利用Material Studio对CH3NH3PbI3钙钛矿进行了建模。 2.1CH3NH3PbI3钙钛矿的主要参数

利用晶体的空间群、晶格参数以及各原子的坐标建立CH3NH3PbI3钙钛矿几何模型。具体如下表：

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