建 a. 查阅钙钛矿太阳能电池领域的实验和理论文献，收集钙钛矿的空间群及晶体原子坐 标数据。利用MS软件Materials Visualizer模块构建四方相妈钛矿晶胞模型，共有48个 离子； b. 采用MS软件将构型导出为*. cif文件格式，然后导入到VESTA软件中，借助该软件 将模型导出为*. vasp文件格式，将其转为纯文本格式并命名为POSCAR，即得钙钛矿的结构 输入文件POSCAR ; 2. 计算模拟 a. 结构优化。设置四个输入文件，INCAR、KPOINTS、POSCAR、P0TCAR，其中平面 波截断能设置为ENCUT = 500,对离子实和价电子的相互作用采用缀加平面波方法 (projector-augmented wave method，PAW)来描述，交换关联泛函采用广义梯度近似 (generalized gradient approximation, GGA)中的 Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)方法， 能量收敛标准设置为EDIFF = 1E-5,，采用Monkhorst-Pack方法产生k点，k点网格设置为 4 X 4 X 4,离子弛豫过程考虑范德华作用力，设置LUSE_VDW = . TRUE.; b. 静态自洽计算。将上一步生成的稳定结构数据文件C0NTCAR重命名为P0SCAR，进行 静态自洽计算，生成波函数数据文件WAVECAR和电荷密度数据文件CHGCAR ; c. 电子特性和光学特性的计算。在上一步生成的波函数和电荷密度数据文件的基础 上，修改INCAR输入文件，设置ISTART = 1，ICHARG = 11，进行电子特性（态密度和能带结 构）计算和光谱特性计算，在计算特性过程中，k点网格增大至8X8X8。态密度的计算，注 意INCAR输入文件中参数设置ISMEAR = -5,增加参数LORBIT = 11 ;能带的计算，KP0INTS 中采用线模式（Line-mode)连接布里渊区的特殊点，B-Γ-Μ-F-r-Z。光学特性的计算， INCAR输入文件中设置参数L0PTICS = . TRUE.; 3. 结果处理与分析 a. 通过MS或者VESTA软件显示优化后稳定结构，如图2所示，分析晶格常数及键长键 角的变化； b. 综合分析四方相钙钛矿的电荷密度分布，态密度（图3)及能带结构（图4)，结合 Pb、I元素的核外电子轨道排布，利用价键理论和能带理论得出钙钛矿的禁带宽度，分析钙 钛矿内部的电子轨道跃迀规律，前线轨道组成，以及晶体结合类型和强弱； C.光学性质计算完之后，输出文件OUTCAR中包含有介电函数的实部（S1)和虚部 (ε 2)数值，利用Excel和Origin软件绘制出四方相钙钛矿的介电光谱图，如图5所示，并 根据公式（1)-(4)，
【主权项】
1. 本发明提供了一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，通过构建初始模型，进行结 构优化并分析其构型特性，计算其电子和光谱特性，得出钙钛矿的禁带宽度，利用价键理论 和能带理论分析各类钙钛矿的电子轨道跃迀规律、前线轨道组成、晶体结合类型以及对光 的吸收特征，比较不同钙钛矿的吸光效率，进而从理论上筛选出性能优异的钙钛矿敏化剂， 所述方法的实施方式分为以下3步： (1) 模型构建 利用MS软件Materials Visualizer模块构建钙钛矿晶胞模型，并借助VESTA软件将 结构数据文件类型转为*vasp文件格式； (2) 计算模拟 a. 设置输入文件，进行结构优化，生成稳定结构数据文件CONTCAR，并将其重命名为 POSCAR作为静态自洽计算的输入文件； b. 静态自洽计算，生成波函数数据文件WAVECAR和电荷密度数据文件CHGCAR; c. 在静态自洽计算的基础上，设置输入参数，进行电子特性（态密度和能带结构）和光 谱特性计算； (3) 结果处理与分析 a. 通过MS或者VESTA软件显示优化后稳定结构，分析晶格常数及键长键角的变化； b. 绘制电荷密度图、态密度图和能带结构图，分析钙钛矿内部的光电转换机理； c. 光学特性分析，通过对比分析不同类型钙钛矿的光谱图，筛选出高吸光效率的钙钛 矿敏化剂，从而指导实验设计，缩短新型钙钛矿敏化剂的研发周期。
2. 根据权利要求1所述的一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，其中模型构建软件 为MS软件，计算软件为VASP软件。
3. 根据权利要求1所述的一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，其中计算流程为结 构优化，然后静态自洽计算，在生成的波函数和电荷密度数据文件的基础上进行特性计算。
4. 根据权利要求1所述的一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，其中对离子实和 价电子的相互作用采用缀加平面波方法（projector-augmentedwavemethod，PAW)来描 述，交换关联泛函采用广义梯度近似（generalizedgradientapproximation,GGA)中的 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)方法，平面波截断能为500eV，离子步的能量收敛标准为 1.0x10"°eV/A，以Monkhorst-Pack方法产生k点，结构优化时k点设置为4X4X4,性质计 算时提高k点为8X8X8。
5. 根据权利要求1所述的一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，其中钙钛矿的前线 轨道组成采用价键理论进行分析，电子轨道跃迀采用能带理论进行分析。
6. 根据权利要求1所述的一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，其中计算态密度时 INCAR输入文件中设置参数ISMEAR= -5,并增加参数L0RBIT= 11。
7. 根据权利要求1所述的一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，其中计算能带结构 时在KP0INTS输入文件中设置沿B-r-M-F-r-Z的线模式。
8. 根据权利要求1所述的一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，其中计算光谱特性 时在INCAR输入文件中设置参数L0PTICS= .TRUE.。
【专利摘要】一种筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法。本发明基于第一性原理，对钙钛矿模型进行结构优化，并进行电子和光谱特性计算。通过分析稳定结构，得到晶格常数，键长和键角特征。通过VASP软件对钙钛矿进行电子和光谱特性计算，利用VESTA、Origin等软件绘制电荷密度图、态密度图、能带结构图和光谱图，利用价键理论和能带理论分析钙钛矿的禁带宽度、电子轨道跃迁规律，晶体结合类型，前线轨道组成以及对光的吸收特性。通过对比光谱吸收特性，筛选高效钙钛矿敏化剂。本发明提供了一种研究钙钛矿内部机理和筛选高效钙钛矿敏化剂的理论方法，为钙钛矿太阳能电池的设计提供了直接的理论指导，缩短了电池的研发周期，降低了研发成本。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104778330
【申请号】CN201510202576
【发明人】鲁效庆, 赵兹罡, 党勇, 李可, 朱青, 邵洋, 魏淑贤
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月24日