一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能电池光电转换材料的设计与开发研宄领域，具体涉及一种采用 Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)软件计算妈钛矿结构和光电特性的方法， 其特征是通过Materials studio (MS)软件构建出一系列新型妈钛矿敏化剂模型，并利用 VASP软件计算钙钛矿的结构特性、光电特性，利用价键理论和能带理论解释内部机理，筛选 理论效率最高的钙钛矿敏化剂，对钙钛矿太阳能电池的敏化剂设计提供理论指导。
【背景技术】
[0002] 能源短缺和环境污染是当今人类发展面临的两大主要问题，开发和利用清洁无污 染的可再生能源，是目前解决能源及环境问题、实现经济和社会可持续发展的重要方向之 一。太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，是地球上数量最巨大、获取最方便、使用最 安全的能源。因此，积极开发太阳能电池是缓解当前人类面临的两大问题的重要途径之一。 作为极具潜力的染料敏化太阳能电池的吸收层，I-IV-VII型钙钛矿材料（简称为ABX 3)引 起了人们的广泛关注。钙钛矿太阳能电池（PSSCs)相比于传统的染料敏化太阳能电池，其 原料丰富，制作成本更低，对环境污染更小，而且取得了更高的光电转化效率（PCE)，目前已 实现了高达20. 1 %的光电转化效率，具有极大的应用潜力。
[0003] 钙钛矿太阳能电池的主要结构包括光阳极、钙钛矿敏化剂、空穴传输材料HTMjt 电极等。其中，钙钛矿敏化剂是PSSCs的核心材料，它的主要作用是吸收太阳光，并把光电 子传输到11〇 2的导带上，其性能的优劣对PSSCs光电转换效率和使用寿命起着决定性的作 用。因此，选择性能优越的钙钛矿敏化剂对钙钛矿太阳能电池的研宄具有非常重要的意义。
[0004] 狭义的钙钛矿的主要成分为CaTiO3，而广义上的钙钛矿则指具有ABX 3结构的化合 物，其中A通常为Cs+、CH3MV(M)、NH2CH = NH2+(FA)，B通常为Pb+2、Sn+2, X表示卤素离子 Cl-、Br-、1-〇
[0005] 2009年，Kojima等人在液态电解质设备中首次使用钙钛矿CH3NH 3PbIdt为敏化 剂，实现了 3. 8%的光电转化效率。截止目前为止，经认证的钙钛矿太阳能电池的光电转化 效率最高达到20. 1 %。钙钛矿太阳能电池经过5年时间的发展，其效率翻了 5倍，引起了人 们的广泛关注，被称为光伏领域的"Next big thing"。然而，现阶段的理论研宄依然落后于 实验研宄，钙钛矿内部的电子空穴分离和传输机制没有完全明了，第一性原理计算成功应 用于钙钛矿染料敏化剂工作机理的探索，不仅可以验证与解析实验结果，而且可以从原子 水平深入探讨敏化剂内部载流子的输运机理，加快对新材料的理论认知进度，筛选高效钙 钛矿敏化剂，为钙钛矿太阳能电池的开发和设计提供理论指导。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在提供一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法。其特色是通过MS构建 钙钛矿模型，运用VASP软件计算钙钛矿的结构和光电特性，借助VESTA和Origin绘图软件 绘制并分析钙钛矿的电荷密度、态密度、能带结构和光谱特性图，掌握钙钛矿内部光电转换 机理，进而筛选出具有高吸光率的钙钛矿。
[0007] 本发明方法所采用的计算机模拟软件为VASP软件包。VASP是基于密度泛函理 论，采用平面波赝势（或缀加投影波）方法进行从头算分子动力学和第一性原理（first principles)电子结构计算的软件包。VASP包括INCAR(计算控制参数文件）、KPOINTS (K 点取样设置文件）、POSCAR(描述体系结构文件）和POTCAR(赝势文件）四个输入文件，其 输出文件主要包括 OUTCAR、CHG、CHGCAR、WAVECAR、DOSCAR、COUNTCAR、EIGENVAL、0SZICAR 等。对于输出文件，可以借助于脚本程序或者辅助软件对其进行处理，获取所需的结果。
[0008] 本发明方法基于第一性原理，用于筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法包括以下步 骤： 1) 模型构建 步骤1 :利用MS软件中的Materials Visualizer模块构建出不同空间群和元素组成 的钙钛矿模型作为晶体结构数据文件； 2) 结构优化 步骤2 :设置好INCAR、KP0INTS、P0TCAR、P0SCAR四个输入文件，利用VASP将步骤1中 的结构进行优化，得到晶体的稳定结构数据文件（C0NTCAR); 3) 光电性质计算 步骤3 :在步骤2的基础上进行静态自洽计算，得到波函数（WAVECAR)和电荷密度数据 文件（CHGCAR)，在此基础上设置输入文件中的参数，进行态密度、能带结构以及光谱特性计 算，分别从输出文件DOSCAR、EIGENVAL和OUTCAR中提取并分析相关特性； 4) 综合分析 步骤4 :步骤2得到钙钛矿的稳定结构数据文件，分析钙钛矿稳定结构的晶格常数，键 长及键角，并对比分析不同类型钙钛矿的晶格常数的异同。步骤3得到钙钛矿体系的电荷 密度数据文件，通过VESTA软件显示钙钛矿结构特定界面的电荷密度分布，从而定性分析 晶体结合类型及强弱。对输出文件DOSCAR进行处理，借助Origin作图软件绘制态密度图， 通过分析态密度可以得出钙钛矿的禁带宽度（E g)，价带顶（VBM)和导带底（CBM)的轨道组 成以及电子的激发跃迀规律。对输出文件EIGENVAL进行处理，借助Origin作图软件绘制 能带图，通过分析能带结构判断钙钛矿为直接带隙半导体，得到准确的禁带宽度值并比较 不同妈钛矿的带隙宽度大小。光谱性质的计算得到妈钛矿的光谱数据文件，借助Origin作 图软件对输出文件OUTCAR进行处理，绘制钙钛矿的介电函数图，运用公式可以得到体系的 反射光谱图、能量损失光谱图、吸收光谱图等，通过分析光谱图可以观察钙钛矿的主要吸光 波长段分布，比对筛选出高吸光效率的钙钛矿敏化剂。
[0009] 本发明方法具有如下优点：提供了一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法。本发 明方法计算快速、结果准确，不仅可以验证与解析实验结果，而且可以对新型钙钛矿敏化剂 的设计和选取提供直接的理论指导。另外，该方法不需要大量的实验材料和仪器，具有低成 本、高效率、无污染的优点，节省了人力、物力和财力，能够促进新型钙钛矿太阳能电池的快 速发展。
【附图说明】
[0010] 本说明书包括如下附图： 图1是具体研宄的技术路线流程图； 图2是四方相钙钛矿的结构图； 图3是四方相钙钛矿的分波态密度图； 图4是四方相钙钛矿的能带图； 图5是四方相钙钛矿的介电光谱图。
【具体实施方式】
[0011] 参照说明书附图对本发明做一下详细说明。
[0012] 为了使本发明的目的、技术方案等更加明晰，下面以四方相钙钛矿（空间群为 I4cm，分子式为CH 3NH3PbI3)为实例，采用VASP软件对其结构及光电特性进行计算，进一步 理解本发明的技术方案和优点。具体计算流程如下： 1. 模型构