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基于第一性原理的CH3NH3SnI3钙钛矿型太阳能电池材料性能与机理探究

一、引言

1.1研究背景

在全球能源需求不断增长以及环境问题日益严峻的大背景下，开发高效、可持续的清洁能源技术已成为当务之急。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其利用效率的提升对于缓解能源危机和减少环境污染具有重大意义。太阳能电池作为实现太阳能转化为电能的关键器件，近年来受到了广泛的关注和深入的研究。

钙钛矿型太阳能电池作为第三代太阳能电池的代表，凭借其独特的优势在众多太阳能电池中脱颖而出。这类电池具有较高的理论光电转换效率，其理论极限效率可达31%，多结理论效率更是超过50%，远高于晶硅的29.4%。高转换效率意味着在相同的表面积下，钙钛矿太阳能电池能够产生更多的电力，从而增加发电量并降低成本。同时，其成本低廉，钙钛矿电池的产业链相较于晶硅产业链大幅简化，生产钙钛矿组件单瓦能耗只有晶硅组件的1/10，单位产能投资额为晶硅电池的一半，钙钛矿组件单瓦总成本约为5到6毛钱，是晶硅极限成本的50%。此外，钙钛矿电池制造工艺简单，可溶液制备，工艺温度低，约100℃，而晶硅电池制备过程所需的最高工艺温度超过600℃。其原材料丰富且成本低，核心原材料丰富易得，供应不受限，相较晶硅原材料售价低廉。并且，钙钛矿材料具有宽吸收光谱，即使在弱光或室内照明条件下，也能有效地将阳光转化为电能，还可以设计成柔性、轻质和半透明的，从而实现广泛的应用，如集成到建筑材料、窗户、车辆、可穿戴设备和便携式电子产品等中。

在钙钛矿型太阳能电池材料体系中，CH3NH3SnI3由于其独特的晶体结构和电学性能，展现出了良好的光电应用潜力。锡（Sn）与铅（Pb）具有相同的价态和相近的离子半径，Sn可以部分或完全替换有毒的Pb，实现卤化铅钙钛矿的低铅化或无毒化，解决了含铅钙钛矿存在的环境污染风险这一难题。同时，基于锡的金属卤化物钙钛矿具有宽范围的可见光发光，CH3NH3SnI3的光谱响应范围能够拓展至红外光区，有着较高的载流子迁移率和较长的载流子扩散长度，这些特性使其成为了研究的热点材料之一。对CH3NH3SnI3材料进行深入研究，有助于进一步理解钙钛矿型太阳能电池的工作机理，为提高电池性能提供理论支持。

1.2研究目的和意义

本研究旨在运用第一性原理计算方法，深入探究钙钛矿型太阳能电池材料CH3NH3SnI3的晶体结构、电子结构以及光学性质。通过精确计算CH3NH3SnI3的晶格常数、原子位置等结构参数，分析其晶体结构的稳定性和对称性，为材料的合成和制备提供重要的理论指导。在电子结构方面，研究价带顶和导带底的电子态分布、能带宽度和带隙等关键信息，从而揭示材料的电学特性和光电转换机制。对于光学性质，重点研究材料对不同波长光的吸收系数、反射率和透过率等，为优化太阳能电池的光捕获效率提供理论依据。

本研究对于推动钙钛矿型太阳能电池的发展具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，通过第一性原理计算，能够深入了解CH3NH3SnI3材料的内在物理性质和光电转换过程，弥补实验研究在微观层面的不足，为进一步完善钙钛矿型太阳能电池的理论体系提供有力支撑。在实际应用方面，研究结果有助于指导实验人员优化材料的制备工艺和电池的结构设计，提高电池的光电转换效率和稳定性，降低生产成本，加速钙钛矿型太阳能电池的商业化进程，为解决全球能源问题提供新的技术途径。

1.3国内外研究现状

在实验研究方面，国内外科研人员对CH3NH3SnI3材料进行了广泛的探索。Kanatzidis等制作了CH3NH3SnI3钙钛矿太阳能电池，并采用spiro-OMeTAD作为空穴传输层，将钙钛矿太阳能电池的吸光范围拓展至950nm，相比CH3NH3PbI3太阳能电池发生了显著红移，同时合成了一系列混合CH3NH3Sn1-xPbxI3钙钛矿，证明其在700-1000nm范围内具有较强的光电响应。Hayase等报道了全固态Sn/Pb基混合钙钛矿太阳能电池，发现CH3NH3Sn0.5Pb0.5I3具有最佳的光电特性，吸收光谱拓展至1060nm。国内研究团队也在积极开展相关工作，对CH3NH3SnI3材料的制备工艺进行优化，通过改进溶液处理方法、控制结晶过程等手段，制备出高质量的CH3NH3SnI3薄膜，提高了电池的性能。然而，实验研究往往受到实验条件的限制，对于材料微观结构和电子性质的深入理解存在一定的困难。

在理论计算方面，第一性原理计算方法为研究CH3NH3SnI3材料提供了重要的手段。鲁效庆等采用第一性原理对有机/无机混合钙钛矿CH3NH3PbxSn1-xI3(x=0-1)的结构及光电特性进行了理论