一种有机-无机钙钛矿材料的筛选方法与流程

本发明涉及一种有机-无机钙钛矿材料的筛选方法，特别涉及一种用于钙钛矿太阳能电池的有机-无机钙钛矿材料的筛选方法，属于能源材料
技术领域：
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背景技术：
：由于传统化石燃料能源储备逐年降低以及化石燃料的使用所带来的日益加剧的环境污染等问题，新能源的开发和利用受到世界各国广泛的关注。太阳能作为地球上一切能源的源头，具有安全可靠，取之不竭的特点，而且无污染，绿色环保，被认为是未来能源的重要来源。目前，制约太阳能电池大规模普及的主要原因是太阳能电池成本过高，且现阶段硅晶太阳能电池板不能做出柔性材料，限制了太阳能电池在可穿戴衣物、背包、帐篷、建筑贴膜等方面的大规模应用。但是近些年来迅猛发展的有机-无机钙钛矿电池有望成功解决这两个问题。有机-无机钙钛矿电池最早由t.miyasaka等人于2009年提出，自诞生之日起，短短六年，有机-无机钙钛矿电池的能量转换效率就超过了20％，表现出良好的发展潜力，目前最高转换效率已经达到了22.4％。有机-无机钙钛矿电池可以采用旋涂法等方法制备，成本低廉，而且可以涂覆在许多柔性材料基底上，具有广阔的应用前景。现阶段研究的钙钛矿太阳能电池主要是由透明fto导电玻璃、二氧化钛致密层、二氧化钛多孔层、钙钛矿吸收层、有机聚合物空穴传输层以及金属背电极五部分组成。首先在fto导电玻璃上制备一层致密的二氧化钛致密层，紧接着在二氧化钛致密层上制备一层二氧化钛多孔骨架层，之后在二氧化钛多孔骨架层上制备钙钛矿吸收层，其制备方法多种多样。然后，在钙钛矿光活性层上制备一层空穴传输材料，最后再蒸镀一层金属电极。除此之外，还有一种没有二氧化钛多孔层的平结的钙钛矿电池结构，称为平面结钙钛矿型太阳能电池。钙钛矿层是整个电池薄膜的核心，它的吸收系数高，具有优异的吸光性能，能够产生电子-空穴对，并将产生的电子以及空穴传输至相应的薄膜层，对电池的光电转换效率起着至关重要的作用。但是，有机-无机钙钛矿电池也有一些亟需解决的缺陷，其中最重要的就是钙钛矿层的稳定性不高，服役过程中由于钙钛矿层的分解，能量转换效率就会损失一半。提高有机-无机钙钛矿材料自身的稳定性是解决这个问题的重要途径之一。另一个存在问题是现使用的ch3nh3pbi3分子中含有对人体有害的pb元素，这造成了人们对电池无害性、安全性的担忧。因此，筛选出稳定、无害的有机-无机钙钛矿材料具有非常重要的实践价值。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种有机-无机钙钛矿材料的筛选方法，通过该方法能够有效快捷地设计出稳定、高能量转化率的有机-无机钙钛矿太阳能电池，以降低操作的复杂性以及成本，缩短新材料的研发周期。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种有机-无机钙钛矿材料的筛选方法，包括以下步骤：(1)构建原始abx3型有机-无机钙钛矿结构模型；(2)选择常常表现为四价的原子作为候选原子，将b位原子替换为其他可能形成稳定存在钙钛矿材料的候选原子；(3)对经过替换后的新结构进行第一性原理计算，完成结构弛豫；(4)通过键长、容差因子，评估弛豫后所得到的收敛结构的实际稳定性；重复以上步骤，筛选出结构稳定的有机-无机钙钛矿材料。优选地，所述步骤(1)中，运用三维建模软件，如materialsstudio、vesta等构建出已经验证的稳定存在的abx3型有机-无机钙钛矿结构模型；优选地，所述步骤(2)中将b位原子替换为其它可能形成稳定存在钙钛矿材料的候选b位原子时，不改变b位原子占据的位置，且不影响a位原子的方向。所述步骤(3)中，使用vasp、castep等第一性原理计算对经过替换后的新结构做结构优化，初步筛选出经过结构弛豫能够收敛的结构。在本发明的筛选方法中，替换掉b位原子后结构的稳定性主要由键长和容差因子是否合理来判断，针对不同的b位原子重复计算，最终能够筛选出稳定，高能量转化率的有机-无机钙钛矿太阳能电池，进而改善钙钛矿太阳能电池的稳定性问题。本发明的优点：本发明提供了一种新型的有机-无机钙钛矿材料的筛选方法，利用该方法能够有效快捷地设计出稳定，高能量转化率的有机-无机钙钛矿太阳能电池，以降低操作的复杂性以及成本，缩短新材料的研发周期，具有很高的应用价值。该方法借助于计算材料学和已有的实验结果，大幅度地减少了传统实验方法人力物力的支出，提高了研发效率。该有机-无机钙钛矿材料的筛选方法不仅可以应用于钙钛矿太阳能电池材料，也适用与其它类似abx3型材料的设计。附图说明图1为实施例1中ch3nh3pbi3分子的结构示意图。具体实施方式下面通过附图和实施例对本发明作详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。本发明实施步骤如下：首先，构建原始有机-无机钙钛矿结构模型；接着，选择常常表现为四价的原子作为候选原子，将b位原子替换为其他可能形成稳定存在钙钛矿材料的候选原子；然后，对经过替换后的新结构进行第一性原理计算，完成结构弛豫；再通过键长、容差因子，评估弛豫后所得到的收敛结构的实际稳定性；最后，针对不同的b位原子，重复以上步骤，筛选出结构稳定的有机-无机钙钛矿材料。实施例1以ch3nh3pbi3分子为例，替换其b位原子为ni、co、fe、cr、mn、v、ti、nb、sn、sc后的筛选方法，包括如下步骤：1、利用vesta构建ch3nh3pbi3分子的结构模型：由于ch3nh3pbi3分子是现阶段钙钛矿太阳能电池中最常用的有机-无机分子，因此对ch3nh3pbi3分子结构模型的建立，我们直接采用实验数据。图1为ch3nh3pbi3分子的结构示意图，大黑球为pb原子，小黑球为i原子，它们构成的格子中有机分子团为ch3nh3。2、将b位原子替换为其它可能形成稳定存在钙钛矿材料的候选原子。对于ch3nh3pbi3分子来说，b位原子是pb原子，我们选择了ni、co、fe、cr、mn、v、ti、nb、sn、sc这10种原子作为备选原子，依次替换。3、使用第一性原理软件vasp对经过替换后的新结构进行计算，完成结构弛豫。对于替换后产生的新型分子，我们不固定原子位置对其进行结构弛豫，以便获得合理的晶格常数和结构信息。4、统计弛豫后结构的键长，并计算容差因子，容差因子r为原子半径。容差因子是用来判断稳定性的常用参数，一般认为容差因子越接近1，钙钛矿材料越稳定。根据键长关系和容差因子大小评估新材料的结构稳定性，筛选出结构稳定的结构。表1键长及容差因子(键长单位容差因子无单位)元素xyzc-h*2c-hn-h*2n-hc-n容差因子ni3.7242.5342.6691.0941.0931.0381.0331.4911.004co2.9792.7212.8091.0931.0911.0381.0331.4781.020fe2.9562.7402.8581.0931.0891.0371.0341.4781.020cr2.9222.8372.8481.0931.0901.0371.0351.4801.016mn2.8492.7993.1341.0941.0891.0341.0351.4801.032v2.9432.8742.8561.0941.0901.0361.0351.4821.013ti2.9582.9362.8861.0941.0911.0381.0351.4851.022nb2.9622.9312.9031.0941.0911.0351.0361.4851.009sn3.2003.1943.2881.0951.0941.0311.0321.4930.954sc3.0113.0032.9651.0941.0921.0381.0351.4891.024pb3.2153.1853.3151.0391.0391.0941.0911.4900.963b位原子为ni、co、fe、cr、mn、v、ti、nb、sn、sc的键长及容差因子在表1中列出。其中x代表x方向上pb与i之间的键长，y代表y方向上pb与i之间的键长，z代表z方向上pb与i之间的键长。容差因子在0.95～1.05之间，一般认为可以稳定维持钙钛矿结构，因此上表中列出的材料均认为可以保持稳定的钙钛矿结构。利用本发明的筛选方法可以快捷地筛选出结构稳定的有机-无机钙钛矿材料，对于钙钛矿太阳能电池的设计具有重要的意义。当前第1页12