一种设计有机金属表面电池材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种设计有机金属表面电池材料的方法，使用Material Studio建模软件建立有机金属太阳能电池表面材料的模型，利用Vasp软件计算表面材料的电子结构性质和光学性质，并利用绘图工具origin软件，结合输出文件DOSCAR,EIGENVAL和OUTCAR作出面材料的电子态密度、能带结构、吸收光谱等图形，理清表面材料的内部光电转换机理，分析确定其光学特性的特点，从而设计出高效率的有机金属太阳能电池表面材料。本发明专利技术通过计算有机金属太阳能电池内部光电转换机理以及光学特性，从而设计高效率太阳能电池表面材料的方法，为电池的生产设计提供了理论方法，有效地缩短了研发周期和成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种设计有机金属表面电池材料的方法，属于太阳能电池

技术介绍
近年来，科学家们在最新研究中发现一种钙钛矿型结构的有机太阳能电池的转化效率或可高达50％，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，能大幅降低太阳能电池的使用成本。相关研究发表在最新一期的《自然》杂志上。目前最热门的研究领域是钙钛矿型甲胺铅碘薄膜太阳能电池，从2009年到2014年的5年间，光电转换效率便从3.8％跃升至19.3％，提高了5倍。这种有机金属太阳能电池的转换效率进步如此之大，而且比传统的硅电池更便宜、更易生产，《科学》期刊把它评为2013年的10大科学突破之一。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，在物理学上称为太阳能光伏(缩写为PV)，简称光伏；因此可以有效吸收太阳能，并将其转化成电能的半导体部件。用半导体材料将太阳的光能变成电能的器件，具有可靠性高，寿命长﹐转换效率高等优点，可做人造卫星﹑航标灯﹑晶体管收音机等的电源等。CH3NH3SnI3太阳能电池不仅转换效率有明显优势，制作工艺也相对简单。实验室中常采用液相沉积、气相沉积工艺，以及液相/气相混合沉积工
艺制作。因此，更便宜、更容易制造的CH3NH3SnI3太阳能电池，很有可能改变整个太阳能电池的格局。今后，它的发电成本甚至有可能会比火力发电还低。2012年8月，韩国成均馆大学与洛桑理工学院实验室将一种固态的空穴传输材料引入太阳能电池，使电池效率一下提高到了10％，而且也解决了电池不稳定的问题，新型的CH3NH3SnI3太阳能电池比以前用液体电解液时更容易封装了。在层出不穷的CH3NH3SnI3太阳能电池相关研究中，科学家还发现，CH3NH3SnI3不仅吸光性好，也是不错的电荷运输材料。他们不断对材料和结构进行改善，以提高电池的光电转换率。由于CH3NH3SnI3太阳能电池材料结构复杂，含有五种组元，且原子数目众多，实验的手段难以解释材料的内部的光电转换机理，也无法对不同面材料的光学性质的优劣给出预测，许多CH3NH3SnI3电池表面材料的问题仍未解决。使用密度泛函理论计算预测材料的电子结构性质和光学性质，可以有效地预测太阳能电池材料的光学性能，并解释其内部转换机理，更快的认识了解新材料，设计出性能优越的材料，为CH3NH3SnI3太阳能电池的研发和设计提供理论指导，有效地缩短研发周期。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种设计有机金属表面电池材料的方法，使用Material Studio软件建立不同的切面有机金属电池模型后，运用VASP软件计算其性质，结合电子跃迁理论和介电理论，比较不同切面材料的光学性能，从而设计出最佳的有机金属表面电池材料，为实验和生产提供理论指导。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种设计有机金属表面电池材料的方法，包括以下步骤：(1)模型建立：使用Material Studio中的建模板块对有机金属太阳能电池材料CH3NH3SnI3进行建模，空间群取为108，按元素原子个数百分比：25％的I、的Sn、的C、的N、50％的H添加原子完成后，检验对称性；接着选择体系不同的晶面进行切面；最后使用VESTA软件将模型转变为Vasp的输入文件POSCAR；(2)计算性质：使用Vasp软件计算步骤(1)的得到的模型的表面材料的电子结构和光学性质；(3)结果分析：a.利用输出文件OSZICAR中的能量数据和MS软件，分析比较材料的稳定性，以及表面断裂的键合情况；b.利用输出文件DOSCAR,EIGENVAL和OUTCAR绘制各个面材料的电子态密度、本征值图和介电函数，剖析电池材料的光电转换机理；c.利用材料的吸收光谱，比较分析材料各个面的吸收光线特性，设计出有机金属太阳能电池材料最佳的表面，从而指导实验设计，制备吸光能力最佳的面材料，缩短材料的研发周期。步骤(1)中，将I原子位置分为两种，依次是(0.0,0.0,0.754)，(0.712,0.212,0.506)，而Sn原子位置为(0.5,0.5,0.5)，C原子位置为(0,0.5,0.785)，N原子位置为(0,0.5,0.674)；H原子的建模方法分为两步，
第一步使用调试氢键功能加上前20个H，第二步使用分子建模的方法，添加最后4个氢球。步骤(1)中，切面时真空层厚度为每个面取4个原子层的厚度。步骤(2)的具体步骤是：a.在Vasp软件中，设置输入文件，进行表面优化，在输入文件POSCAR中使用selective dynamics功能将上下表面处的原子设为可移动，而内部原子则固定住，将生成的新结构文件重命名为POSCAR作为新的结构文件，用作下一步的计算；b.利用上一生成的结构文件，进行静态自洽计算，计算完成后，生成电荷密度文件CHGCAR，用作下一步的性质计算；c.利用上一步得到的电荷密度文件CHGCAR，进行表面材料的电子结构和光学性质计算。步骤(2)中还包括以下步骤：利用基于密度泛函理论的(DFT)的Vasp软件包；计算中的截断能取值为530eV,离子的能量均收敛在0.0001eV以下，K空间网格为4×4×1。步骤c中，光学性质的计算中，计算能带时使用的高对称点路径为Z-G-F-Q-Z。步骤(3)中，使用公式处理介电函数得到吸收光谱，其中ε1、ε2为虚部和实部的介电常数。有益效果：本发通过使用第一性原理软件Material Studio、Vesta和Vasp，在对有机金属太阳能电池材料CH3NH3SnI3结构建模的基础上，进行结构优化、电子结构和光学性质的计算，通过比较不同表面体系材料的稳定性、
电子结构性质和光学特征，设计性能优越的有机金属太阳能电池表面材料。本专利技术提供了一种通过计算有机金属太阳能电池内部光电转换机理以及光学特性，从而设计高效率太阳能电池表面材料的方法，为电池的生产设计提供了理论方法，有效地缩短了研发周期和成本。附图说明图1是有机金属电池体结构模型图；图2是有机金属电池(010)表面的结构图；图3是有机金属电池(010)表面的态密度图；图4是有机金属电池(010)表面的能带结构图；图5是有机金属电池(010)表面的介电函数图图6是有机金属电池(010)表面的吸收光谱图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。本专利技术旨在提供一种设计高效率有机金属太阳能电池表面材料的方法。通过使用Material Studio建模软件建立有机金属太阳能电池表面材料的模型，利用Vasp软件计算表面材料的电子结构性质和光学性质，并利用绘图工具origin软件，结合输出文件DOSCAR,EIGENVAL和OUTCAR作出面材料的电子态密度、能带结构、吸收光谱等图形，理清CH3NH3SnI3表面材料的内部光电转换机理，分析确定其光学特性的特点，从而设计出高效率的有机金属太阳能电池表面材料。所使用的工具主要是Material Studio,Veata,Vasp,origin软件；最主要的
计算工具是Vasp软件，这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)模型建立：使用Material Studio中的建模板块对有机金属太阳能电池材料CH3NH3SnI3进行建模，空间群取为108，按元素原子个数百分比：25％的I、的Sn、的C、的N、50％的H添加原子完成后，检验对称性；接着选择体系不同的晶面进行切面；最后使用VESTA软件将模型转变为Vasp的输入文件POSCAR；(2)计算性质：使用Vasp软件计算步骤(1)的得到的模型的表面材料的电子结构和光学性质；(3)结果分析：a.利用输出文件OSZICAR中的能量数据和MS软件，分析比较材料的稳定性，以及表面断裂的键合情况；b.利用输出文件DOSCAR,EIGENVAL和OUTCAR绘制各个面材料的电子态密度、本征值图和介电函数，剖析电池材料的光电转换机理；c.利用材料的吸收光谱，比较分析材料各个面的吸收光线特性，设计出有机金属太阳能电池材料最佳的表面，从而指导实验设计，制备吸光能力最佳的面材料，缩短材料的研发周期。

【技术特征摘要】
1.一种设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)模型建立：使用Material Studio中的建模板块对有机金属太阳能电池材料CH3NH3SnI3进行建模，空间群取为108，按元素原子个数百分比：25％的I、的Sn、的C、的N、50％的H添加原子完成后，检验对称性；接着选择体系不同的晶面进行切面；最后使用VESTA软件将模型转变为Vasp的输入文件POSCAR；(2)计算性质：使用Vasp软件计算步骤(1)的得到的模型的表面材料的电子结构和光学性质；(3)结果分析：a.利用输出文件OSZICAR中的能量数据和MS软件，分析比较材料的稳定性，以及表面断裂的键合情况；b.利用输出文件DOSCAR,EIGENVAL和OUTCAR绘制各个面材料的电子态密度、本征值图和介电函数，剖析电池材料的光电转换机理；c.利用材料的吸收光谱，比较分析材料各个面的吸收光线特性，设计出有机金属太阳能电池材料最佳的表面，从而指导实验设计，制备吸光能力最佳的面材料，缩短材料的研发周期。2.根据权利要求1所述的设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，将I原子位置分为两种，依次是(0.0,0.0,0.754)，(0.712,0.212,0.506)，而Sn原子位置为(0.5,0.5,0.5)，C原子位置为
\t(0,0.5,0.785)，N原子位置为(0,0.5,0.674)；H原子的建模方法分为两步，第一步使用调试氢键功...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶勇，何思渊，王杰，郑勇，于金，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32