【摘 要】
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从2009年到目前为止,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%急剧上升到了25.7%,然而具有高转换效率的钙钛矿太阳能电池大多含有有毒元素Pb。除了Pb的毒性以外,其本身结构的不稳定性也阻碍了大规模商业化的进程。混合金属卤化物双钙钛矿具有广阔的化学成分空间和较高稳定性的特点。因此针对钙钛矿太阳能电池存在的稳定性和毒性问题,本文设计了无毒稳定的混合金属卤化物双钙钛矿,通过第一性原理研究了双钙钛矿太
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从2009年到目前为止,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从3.8%急剧上升到了25.7%,然而具有高转换效率的钙钛矿太阳能电池大多含有有毒元素Pb。除了Pb的毒性以外,其本身结构的不稳定性也阻碍了大规模商业化的进程。混合金属卤化物双钙钛矿具有广阔的化学成分空间和较高稳定性的特点。因此针对钙钛矿太阳能电池存在的稳定性和毒性问题,本文设计了无毒稳定的混合金属卤化物双钙钛矿,通过第一性原理研究了双钙钛矿太阳能电池的晶体结构、光学性质、电学性质以及力学性质。研究结果如下:第一,基于第一性原理计算了一种新的混合价层状卤化物钙钛矿Cs4M（IV）M（II）2X12（M=Ge,Sn;X=Cl,Br）,空间群为C2/m、R-3m、I41/amd。基于分解能、声子谱、力学稳定标准的计算,发现混合价层状钙钛矿Cs4Ge Ge2Cl12（C2/m、R-3m）、Cs4Ge Ge2Br12（R-3m）、Cs4Ge Ge2Br6Cl6（R-3m）表现出热力学和动力学稳定。Cs4Ge Ge2Br12的带隙为1.16 e V,这接近光伏上应用的理想带隙值（1.4 e V）。这样小的带隙是由于导带与价带之间形成的中间带造成的。此外Cs4Ge Ge2Br12在可见光区域的光吸收系数比MAPb I3高一个数量级。适当的带隙宽度、较大的介电常数和超高的光吸收,表明混合价层状卤化物钙钛矿Cs4Ge Ge2Br12是一种很有前途的太阳能电池光电器件候选材料。第二,通过第一原理计算研究了双钙钛矿Cs2Cu Au X6（X=Cl,Br,I）。根据容忍因子、声子谱、分解能和机械稳定性标准的计算,发现Cs2Cu Au X6（X=Cl,Br）具有动力学稳定,而Cs2Cu Au I6表现出动力学不稳定。通过施加应力发现Cs2Cu Au I6在应变为3%时具有动力学稳定。Cs2Cu Au X6（X=Cl,Br,I）的VBM和CBM分别主要由Cu 3d和Au 5d轨道贡献,同时也是轻微的间接带隙半导体,HSE06计算的带隙值分别为1.169 e V、1.191 e V和1.355 e V。Cs2Cu Au X6的带隙从Cl到Br到I逐渐增大,这是由于晶格膨胀造成的。Cs2Cu Au Br6（0.200 m0）、Cs2Cu Au I6（0.256 m0）的轻空穴有效质量小于MAPb I3（0.36 m0）,这有利于载流子的迁移。此外,钙钛矿Cs2Cu Au X6（X=Cl,Br,I）具有低激子结合能,有利于载流子解离。3μm厚的钙钛矿Cs2Cu Au X6（X=Cl,Br,I）的光谱限制极限效率约为10%,其各向异性的光学吸收约为10~5cm-1。结合材料的稳定性和最佳的SLME,Cs2Cu Au Cl6有希望作为钙钛矿太阳能电池吸收层材料。
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