基于第一性原理钙钛矿太阳能电池光吸收层FAPbI3的研究

作     者：黄上分 

作者单位：桂林理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李海侠

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：钙钛矿太阳能电池 光吸收层 第一性原理 

摘      要：能源短缺的问题越来越严重,为了人类的可持续发展,迫切需要开发和利用可再生能源。太阳能储量巨大,太阳能电池能够高效地利用太阳能,便顺势而生。太阳能电池也经历了几代的发展,第一代为硅基太阳能电池,光电转换效率高且稳定性好,但制作成本过高;第二代为薄膜太阳能电池,制作成本低,但光电转换效率也低,很难满足实际要求;第三代以钙钛矿太阳能电池为主,因其自身拥有高的光电转换效率以及低廉的制作成本而成为日前研究的主流,从问世到如今十几年的时间里,光电转换效率由开始的3.8%提升到25.7%,在新能源领域极具发展潜力。然而在钙钛矿太阳能电池发展的过程中也存在一些问题,即在拥有高的光电转换效率的同时很难保持其稳定性,特别是湿度稳定性。其光吸收层容易与空气中的水气发生反应,导致器件的性能下降。要实现钙钛矿太阳能电池产业化,势必得解决其湿度稳定性的问题。对钙钛矿太阳能电池的光吸收层进行掺杂改性,是一种高效且成本低的解决办法。本文通过第一性原理的方法使用Cs和Cl共掺杂钙钛矿太阳能电池光吸收层FAPb I。1、研究了Cs和Cl掺杂FAPb I的几何结构、电子结构以及光学性质。发现FACsPb ICl体系都能保持稳定的钙钛矿结构。随着Cs和Cl掺入量的增加,体系的禁带宽度变大。导带底端弥散增加作用比价带顶端弥散减小作用更强,即掺杂体系的电子有效质量减小的作用比空穴有效质量增大的作用更明显,有利于光生载流子的运输。光学性质表明,体系对可见光有良好的吸收作用,但是过量的Cl会导致光学性能下降,在x=0.125,y=0.125时光学性能表现最好。2、对立方相FAPb I的001表面以及掺杂Cs和Cl之后的表面在各个吸附位点吸附水分子进行了理论模拟,计算了体系的吸附能、态密度、差分电子密度以及Mulliken电荷布居。研究发现水分子最容易吸附在T2位点,掺杂后的表面的吸附能变大,说明掺杂后的表面对水分子有抑制作用。各吸附位点的Pb原子和Cl原子轨道态密度与水分子中O原子的轨道态密度重叠区域比本征表面的变小且远离费米能级,表明水分子与表面成键的可能性下降。Mulliken电荷布居分析发现掺杂后的表面与水分子之间的电子转移数量下降,说明表面与水分子的作用减弱。这些结果表明了掺杂Cs和Cl之后的表面能在一定程度上抑制水分子进入表面。以上研究表明,适量的Cs和Cl的共掺杂使得钙钛矿太阳能电池的光电转换效率以及湿度稳定性都得到提高,能为实验上制备更高效的太阳能电池提供理论指导,进一步推动太阳能电池产业化。