【摘要】：近年來,以鈣鈦礦(ABX3)為吸光材料的太陽能電池以其優(yōu)越的光電性能和簡單的制備工藝受到了研究者的青睞,其中研究最廣泛,發(fā)展最迅速的為有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池。有機鈣鈦礦具有高吸收系數(shù)、可調(diào)的直接帶隙、長載流子彌散長度、低激子結(jié)合能以及均衡的電子空穴遷移率。目前,經(jīng)過NERL認證的最高光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)已經(jīng)超過22%。提高有機鈣鈦礦太陽能電池PCE的常用策略包括A,B,X位點離子的組分調(diào)控,電子和空穴傳輸材料的改善以及優(yōu)化設計電池結(jié)構(gòu)。雖然實驗室中的PCE增長迅速,但是仍然存在很多關(guān)鍵因素限制其進一步發(fā)展,例如,器件的穩(wěn)定性,Ⅰ-Ⅴ曲線的回滯行為,昂貴的有機空穴傳輸材料(例如Spiro-OMeTAD),鈣鈦礦薄膜的大面積制備,鉛毒性等。為進一步提高PCE,必須充分解決這些問題。隨著實驗的發(fā)展,大量的理論研究已用于解釋有機鈣鈦礦光電特性的內(nèi)在機制。目前使用最廣泛的理論方法為密度泛函理論(DFT),基于DFT的電子結(jié)構(gòu)計算已經(jīng)幫助我們深入理解了有機鈣鈦礦優(yōu)異光電特性的物理站礎,例如合適的帶隙,雙極傳輸性,高吸光系數(shù),可控摻雜特性,缺陷容忍性,鐵電性,離子遷移,界面和表面,和幾何結(jié)構(gòu)特性等。盡管已經(jīng)取得了大量的研究成果,但是由于有機鈣鈦礦的多樣性和復雜性,仍然有很多特性沒有完全理解,需要利用新的理論是實驗方法進一步研究。緊束縛密度泛函方法(DFTB)是DFT方法的一種近似,其較高的精度和更快的計算效率,為實現(xiàn)真實器件結(jié)構(gòu)的模擬提供了可能。此外,非平衡格林函數(shù)方法(NEGF)是研究開放體系電子輸運性質(zhì)的有力工具。因此,DFTB結(jié)合NEGF方法為我們進一步認識有機鈣鈦礦太陽能電池的,電子傳輸機制開辟了新的道路。充分理解有機鈣鈦礦內(nèi)部電子傳輸機制,不僅有助于進一步改善太陽能電池的性能,而且為開發(fā)設計更簡單和/或更高效的新材料和器件結(jié)構(gòu)提供思路。本論文主要探索有機鉛鹵鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),重點研究有機陽離子對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。通常使用的有機陽離子為非屮心對稱結(jié)構(gòu),具有永久偶極矩,理論研究表明其轉(zhuǎn)動勢壘很低,在無機骨架中可以很容易的發(fā)生轉(zhuǎn)動和遷移,因此具有形成鐵電偶極序的能力,從而影響有機鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池對外加電壓的響應和電子/空穴的傳輸。此外不同種類有機陽離子的混合對有機鉛鹵鈣鈦礦的穩(wěn)定性也有重要影響�；谀壳坝袡C鉛鹵鈣鈦礦的理論研究成果,本文系統(tǒng)研究了有機陽離子的重要作用。本論文的主要工作有:(1)研究表明鈣鈦礦中鐵電疇的出現(xiàn)對其電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。本文中,我們使用DFTB+NEGF方法研究鐵電疇對甲胺鉛碘鈣鈦礦(MAPbI3)的電子輸運性質(zhì)和載流子復合率的影響。研究發(fā)現(xiàn),伴隨著鐵電疇的出現(xiàn),鈣鈦礦的,帶隙減小,電導顯著增加,同時在鐵電疇局域電場的作用下電子和空穴的傳輸通道發(fā)生分離。此外,通過考慮電子與真空中光子的相互作用,我們計算了電子-空穴的復合率。計算結(jié)果表明,由于載流子傳輸通道的分離,具有鐵電疇的鈣鈦礦中電子-空穴的復合受到極大的抑制,因此鐵電疇的形成增強鈣鈦礦的光電特性。(2)有機鉛鹵鈣鈦礦APbX3的穩(wěn)定性是制約其應用的重要因素,對APbX3鈣鈦礦中A和X采用不同種類離子混合的化學組分調(diào)控是改進其穩(wěn)定性最有效的方式之一。其中,A位點采用不同比例的甲脒離子(FA),甲胺離子(MA),CH(NH2)2+,Cs+,Rb+,B位點采用Pb2+,Sn2+等,X采用I-,Br-,Cl-是當前研究的熱點方向。本文通過第一性原理計算,系統(tǒng)的研究了FA1-xMAxPbI3體系的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)FA與MA的混合增加體系的穩(wěn)定性,,其中FA0.5MA05PbI3最穩(wěn)定。通過分析不Q嫽旌媳壤慕峁，

本文編號：2620175