[发明专利]一种稳定高效有机-无机杂化钙钛矿型光吸收材料的筛选方法

说明书

本发明公开了一种稳定高效有机‑无机杂化钙钛矿型光吸收材料的筛选方法。该筛选方法包括以下步骤：（1）构建原始ABX₃型有机‑无机杂化钙钛矿型超胞结构骨架；（2）采用元素替换法，逐个替换A位及B位离子，构建备选结构模型；（3）计算备选模型的容忍因子；（4）利用第一性原理计算对各备选模型进行充分的结构弛豫，计算其形成能；（5）利用第一性原理计算备选模型的电子性质及光吸收性质，筛选稳定高效光吸收材料。本发明提供了一种稳定高效有机‑无机杂化钙钛矿型光吸收材料的筛选方法，缩短了新型钙钛矿型光电池的研发周期，降低了研发成本，具有重要的实际意义。

技术领域

本发明涉及太阳能电池光吸收材料的设计与开发领域，特别涉及一种基于第一性原理的有机-无机杂化钙钛矿型光吸收材料的筛选方法，属于新能源材料技术领域。

背景技术

能源枯竭和环境问题是当今人类社会所面临的两大主要问题。为了人类社会的可持续发展，新型可再生能源的开发与应用刻不容缓，新一轮能源革命必将蓬勃兴起。不同于化石能源，太阳能是一种清洁的无计成本的能源，开发和利用受地域限制程度极低，且不会对环境产生污染。因此，太阳能的利用和转换是解决能源危机和环境问题的一条重要途径。太阳能光电池技术能够将太阳能直接转换为电能，在解决人类面临的两大问题方面表现出了巨大的潜力。

自美国贝尔实验室开发出世界上第一块硅基半导体太阳能电池以来，研究者们以单质硅为核心开发出了一系列单晶硅、多晶硅及微晶硅太阳能电池。虽然目前商用太阳能电池仍旧以硅基太阳能电池为主，但是硅基太阳能电池存在着工艺复杂、造价高昂的等问题。为了解决这一问题，研究者们开发了基于薄膜材料的太阳能电池。薄膜太阳能电池的生产成本低于单晶硅，并且薄膜技术有利于太阳能电池的批量生产，但其光电转换效率低于硅基太阳能电池，而且其常用材料中的组成元素大都具有毒性，会对环境及人类的健康产生危害。因此薄膜太阳能电池并不是理想的太阳能电池材料。

为进一步降低成本、提升光电转换效率，研究者们对太阳能电池转换效率的理论极限及能量损失机理进行了深入的研究，并提出了新型太阳能电池的概念。

2009年，日本的T.Miyasaka等人利用卤化铅甲胺CH₃NH₃PbX₃(X＝Br,I)替代传统染料敏化电池中的染料分子作为吸光材料，首次将有机-无机杂化钙钛矿半导体应用于太阳能电池中。随后十几年里，得益于有机-无机杂化钙钛矿材料优异的光电性能，钙钛矿太阳能电池技术飞速发展，转化效率节节攀升。目前，中国科学院的研究工作者们已经将钙钛矿型半导体太阳能电池的认证最高效率提升至23.7％，使钙钛矿型太阳能电池的效率足以与硅基太阳能电池及多种薄膜类太阳能电池相媲美。

然而钙钛矿太阳能电池要想真正迈向商业化，还需要有很长的一段路要走。钙钛矿太阳能电池的研发依旧存在着稳定性差、过度依赖重金属元素铅、滞后效应、光照时易发生相分离、缺陷较多、器件有效工作面积较小等诸多问题。其中，较差的稳定性严重阻碍其迈向商业化应用。在服役过程中，有机-无机杂化钙钛矿较差的稳定性导致其极易分解，进而大大降低光电转换的转换效率。在保证良好的光电转换效率的前提下，设计新型稳定有机-无机杂化钙钛矿材料的解决这个问题的重要途径之一。因此，筛选出新型稳定高效有机-无机杂化钙钛矿型光吸收材料具有非常重要的实践价值。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种基于第一性原理的有机-无机杂化钙钛矿型光吸收材料的筛选方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

(1)构建原始ABX₃型有机-无机杂化钙钛矿型超胞结构骨架；

(2)采用元素替换法，逐个替换A位及B位离子，构建备选结构模型；

(3)计算备选模型的容忍因子，进行结构稳定性筛选，剔除掉结构不稳定的备选模型；