硅元素(Si)在地壳中含量巨大,具有无毒、环境友好、稳定性高等优点。硅晶体材料是半导体工业的基石,也是太阳能光伏产业的材料先驱。目前用作太阳能电池吸收层材料的主要成分是金刚石结构的硅晶体,其间接带隙特征影响了对太阳光的吸收效率。为了提升硅基太阳能电池的光电转换效率,从理论和实验上去预测和设计具有直接带隙类型的新型硅晶体材料是一个非常热门的研究方向。根据硅元素的化学成键特征,我们在本论文中选择课题组开发的结构搜索软件RG~2对潜在的硅晶体结构进行预测,发现了4个新型的六角硅晶体结构,并利用第一性原理对它们的结构特征、稳定性、电子结构和光学性质进行了计算。(1)通过RG~2搜索得到2个全新的六角硅晶体结构Hex-193和Hex-194并利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Hex-193和Hex-194的结构特征、稳定性(包括热力学稳定性、动力学稳定性、弹性力学稳定性)、电子性质、力学性质和光学性质。我们的计算结果表明,Hex-193与Hex-194具有良好的热力学稳定性,在动力学和弹性力学上也都是稳定的。能带结构计算结果表明,Hex-193和Hex-194都是准直接带隙的半导体,它们的带隙值适合用于对太阳光进行吸收。进一步的光学性质研究表明,Hex-193和Hex-194确实具有比其它硅晶体结构更好的光学吸收能力,可看作是潜在的太阳能电池光吸收层材料。(2)利用RG~2在六角晶系(Nos.152和154)中搜索四配位结构时发现两个互为左右关系的晶体结构Hr152与Hl154(两者手结构),并将它们推广作为碳、硅、锗、锡晶体进行系统研究。我们的第一性原理计算结果表明,Hr152和Hl154在的碳、硅、锗、锡中具有相同的能量稳定性、电子结构和力学性质。作为碳、硅、锗晶体时它们都是间接带隙半导体,带隙分别为4.88 eV,1.54 eV,1.08 eV和0.68 eV。值得注意的是,Hr152与Hl154结构的硅晶体具有比传统的金刚石硅晶体和大多数理论提出的硅晶体更好的光吸收能力,是良好的太阳能电池吸收层材料。