钙钛矿太阳能电池作为目前比较常用的一种染料敏化太阳能电池,利用具有优异光吸收能力的钙钛矿材料作为光吸收剂,与电子传输层和空穴传输层等材料共同完成光生伏特效应并产生电流。电子传输层和空穴传输层分别起到收集钙钛矿材料受光照热激发所产生的电子和空穴的作用。目前比较常用的电子传输层材料为锐钛型二氧化钛TiO₂,但是TiO₂存在着许多问题,比如禁带宽度大、可见光透射率低、电子迁移率低等,致使其在钙钛矿太阳能电池上的应用受到了很大的限制,所以许多学者开始用掺杂或者复合的方法来对TiO₂进行改性,从而获得更好的光电性质,同时在能级层面上实现与其他材料的匹配优化。本文通过使用第一性原理的密度泛函理论来研究本征TiO₂以及不同掺杂浓度的Nb和Ta单掺TiO₂的结合能、缺陷形成能、光电特性和差分电荷密度等性质。首先计算分析了结合能和缺陷形成能,发现两种掺杂类型均可稳定存在,证实了研究的可行性,且Nb掺杂缺陷更容易形成。电子结构分析表明不同浓度的Nb和Ta单掺TiO₂的禁带宽度相比于本征TiO₂变化很小,而态密度分析表现出两种掺杂类型的费米能级均已进入导带,即形成了N型简并半导体。光学性质分析显示出相同浓度的Nb掺杂TiO₂的可见光吸收率和反射率都要更低,说明了Nb单掺TiO₂更适合作为透明电极材料。差分电荷密度分析表现出单掺TiO₂后,Nb原子可以比Ta原子提供更多的自由电子。最后电学参数的分析表明了相同掺杂浓度的Nb单掺TiO₂能获得更高的电子迁移率和电导率,证明了Nb元素更适合作为TiO₂的N型掺杂对象。本文还研究了不同浓度Nb/N共掺TiO₂的结合能、缺陷形成能和光电特性等性质。首先计算分析了结合能和缺陷形成能,发现在富氧环境下更容易形成缺陷,且所有共掺体系都可稳定存在。电子结构和光学性质的分析表明N元素有着明显降低禁带宽度的作用,且Nb浓度的增加同样会使得共掺体系的费米能级逐渐进入导带,并形成自由电子浓度更高的N型简并半导体,同时透射率得到了提高,但是N浓度的增加不利于共掺体系形成N型半导体和透明材料。结合电子迁移率和电导率的对比分析发现,Nb掺杂浓度为6.3 at.%和N掺杂浓度为1.6 at.%的共掺体系可以获得更好的光电特性。最后通过计算本征TiO₂、各掺杂体系以及钙钛矿CH₃NH₃PbI₃的功函数和导带能级位置,从理论上分析了本征TiO₂、Nb单掺TiO₂、Nb/N共掺TiO₂与导电玻璃FTO、钙钛矿层、空穴传输层之间的能级排布。研究发现Nb的含量对于TiO₂的功函数和能级位置有一定的调控作用,同时单掺和共掺体系的导带能级和功函数均得到了下降,并且降低了与FTO的费米能级之间的能级势垒,这将使其可以作为电子传输层与FTO之间的缓冲层来减小载流子在界面的复合,增加载流子的提取效率,最终提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。