基于双氨基有机无机杂化的卤化物钙钛矿及其超晶格结构的稳定高效光伏材料的理论研究

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近年来,有机无机杂化卤化物钙钛矿因其优异的光电性能引起了人们的广泛关注,已成为开发下一代太阳能电池最有前途的材料。最为突出的是ABX3型杂化钙钛矿,例如CH3NH3Pb I3(MAPb I3)和CH(NH2)2Pb I3(FAPb I3),由于其高载流子迁移率、高吸收系数、高开路电压、合适的带隙、低载流子复合率等优异性能,已经被看作是一种优越的光伏材料。然而,以MAPb I3和FAPb I3为代表的这些有机无机杂化卤化物钙钛矿材料的稳定性是最紧迫的挑战,基于其特殊的八面体结构,其内部因素如电子转移、离子迁移、界面反应等以及外部因素如湿度、温度、氧化剂等可能对钙钛矿的稳定性产生重要影响,使其在环境中表现出较低的热稳定性和化学稳定性,最终影响器件的耐久性。本文针对材料稳定性这一重要问题入手展开了计算研究,引入双氨基阳离子来解决单氨基钙钛矿材料稳定性低这一热点问题,并且通过结合常规钙钛矿材料形成钙钛矿超晶格结构最终实现了稳定性的提高以及带隙的可调,进一步提高了光电性能。具体工作如下:首先,对双氨基阳离子PDA和DAB所构成的PDAPb I4和DABPb I4三维双氨基钙钛矿材料结构,电子性质,输运性质,光学性质进行了研究。为了对比验证双氨基有机阳离子PDA和DAB的引入是否有利于钙钛矿材料内部的载流子迁移率提高,我们还计算的相同链长情况下单氨基阳离子分子PT和MBA所构成的(PT)2Pb I4和(MBA)2Pb I4二维单氨基钙钛矿材料的几何结构,电子性质和光学性质等。计算结果表明有机双氨基阳离子增强了Pb-I无机层间的耦合效应,在一定程度上为载流子的迁移提供了良好通道,尤其是在Pb-I无机层间的迁移。此外,有机双氨基阳离子三维钙钛矿材料在太阳辐照范围内具有优异的光吸收性能,有助于未来设计和合成更有效、更稳定的有机无机钙钛矿光伏器件。基于计算得到的双氨基有机阳离子钙钛矿的稳定性和优异的载流子传输性能,结合常规钙钛矿的优异特性,我们构建了钙钛矿的超晶格结构。在保持钙钛矿优异特性的基础上提高材料的稳定性,因此,我们研究了八种有机-无机卤化物钙钛矿超晶格材料,即(Cs Pb I3)n/PDAPb I4和(MAPb I3)n/PDAPb I4,其中n为常规钙钛矿材料的层数,层数为一层至四层。研究了这些超晶格材料的几何结构、形成能、热力学稳定性、电子结构、激子特性、光学吸收特性和功率转换效率等。这些计算结果表明,获得这些钙钛矿超晶格材料及其实际应用是可行的。引入功能性双氨基阳离子PDA到超晶格结构可以进一步提高有机-无机杂化钙钛矿材料的稳定性,有助于设计和合成更加高效稳定的有机-无机杂化钙钛矿超晶格材料应用在未来的光电领域。
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