一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法技术

本发明专利技术涉及ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的理论预测方法。包括：分析ABX3型钙钛矿纯物质单胞的晶体结构的稳定性；设计A位阳离子部分置换掺杂取代比例；分别对不同掺杂比例，不同掺杂位点的ABX3型钙钛矿进行优化，以获得能量最低的掺杂点位构型；对每一种掺杂比例的ABX3型钙钛矿的最低能量构型判定其稳定性；分析ABX3型钙钛矿中A位阳离子掺杂改性后，晶胞参数的变化对电子结构的影响规律；对某一掺杂成分及掺杂构型钙钛矿材料的光学性质进行计算和分析，筛选性能优良的材料。本发明专利技术能够对ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性后的结构及性能进行有效预测。能进行有效预测。能进行有效预测。

【技术实现步骤摘要】
一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法


[0001]本专利技术涉及太阳能电池材料领域，具体涉及一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法。

技术介绍

[0002]随着能源和环境问题日益迫切，新型高效、环保和低成本太阳能电池材料研究开发，新世纪以来异常活跃。具有钙钛矿结构的ABX3(A＝CH3NH
3+
，CH(NH2)
2+
，Cs
+
等，B＝Pb
2+
，Sn
2+
等，X＝Cl
‑
，Br
‑
，I
‑
等)具有较高的转化率，较低的制造成本、可制备柔性结构等优势而备受光伏研究人员的青睐。近年来，一些有机
‑
无机杂化钙钛矿因具有高的光吸收系数、较理想的带隙、长的载流子扩散长度、低的陷阱密度和小的激子结合能等优异的电学和光学性能，已成为最有前途的光伏材料。
[0003]自2009年首次在染料敏化太阳能电池中使用钙钛矿作为光吸收剂以来，功率转换效率(PCE)从3.8％提高到了25.7％，在最近几年内，先进的性能将其应用扩展到发光二极管、激光器和传感器等。ABX3型钙钛矿普遍对热和湿度的耐受性较差，导致在制造和设备运行期间退化。难以提供卓越的稳定性和更长的载流子寿命。所有无机Cs基钙钛矿很难制备成均匀的多晶薄膜，导致它们的电流效率较低。并且宽的带隙进一步限制了他们的应用。为了同时提高材料的稳定性并获得更大范围的太阳光谱，混合两种或两种以上的单价阳离子显示出将所有ABX3型钙钛矿的优点合并为一种材料的巨大潜力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法，结合第一性原理密度泛函理论，从能量、热力学稳定性，光电性质等方面研究A位阳离子掺杂化合物，探索组分
‑
结构
‑
性质关系，总结其综合性能的调控规律，筛选出具有应用前景的太阳能电池材料。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006]步骤S1、采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，计算获得ABX3型钙钛矿纯物质单胞的晶体学结构参数，基于容忍因子分析其晶体结构的稳定性；
[0007]步骤S2、设计一系列A位阳离子部分置换掺杂的取代比例，然后基于可用的计算资源(算力)，构建超晶胞，按掺杂比例的大小，设置取代构型；
[0008]步骤S3、设计出同种替代阳离子的不同掺杂比例，对每一掺杂比例，进一步设计取代不同掺杂取代的位点，探索掺杂粒子可能以近邻聚集存在，或远离均匀态存在，进行各种掺杂构型的第一性原理总能计算，同时获得各种掺杂比例的ABX3型钙钛矿晶体结构(晶格常数，键长等)，比较各种掺杂点位构型下体系的总能值大小，以获得能量最低的掺杂点位构型；
[0009]步骤S4、对每一种掺杂比例的ABX3型钙钛矿的最低能量构型进行容忍因子计算，
并进一步根据容忍因子和缺陷形成能来判定其稳定性；
[0010]步骤S5、对各种掺杂比例的ABX3型钙钛矿最低能量构型的电子结构进行计算分析，包括能带及能带间隙值，态密度、有效质量和电荷密度，分析晶胞参数改变对电子结构的影响；
[0011]步骤S6、采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对某一掺杂成分及掺杂构型钙钛矿材料的光学性质进行计算和分析，进而获得介电函数实部和虚部矩阵，以及光吸收光谱、反射光谱、折射光谱和消光光谱；
[0012]步骤S7、总结归纳A位阳离子掺杂对ABX3型钙钛矿结构、性能的改性规律，筛选性能优良的材料。
[0013]相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术结合第一性原理密度泛函理论，从能量、热力学稳定性，光电性质等方面研究A位阳离子掺杂ABX3型钙钛矿，探索组分
‑
结构
‑
性质关系，总结其综合性能的调控规律，有助于进一步设计合成更高效的有机
‑
无机钙钛矿太阳能电池。
附图说明
[0014]图1是本专利技术的方法流程图。
[0015]图2是本专利技术的一实施例中单胞FAPbI3和2
×2×
2超胞的FAPbI3晶体结构示意图；(a)为单胞FAPbI3；(b)为2
×2×
2超胞FAPbI3。
[0016]图3是本专利技术的一实施例中FA1‑
X
Cs
x
PbI3(0.125≤x≤0.875)掺杂化合物优化后晶体结构示意图；从左到右、从上到下X依次增大。
[0017]图4
‑
11是本专利技术的一实施例中FA1‑
X
Cs
x
PbI3(0≤x≤0.875)掺杂化合物的能带示意图。
[0018]图12
‑
19是本专利技术的一实施例中FA1‑
X
Cs
x
PbI3(0≤x≤0.875)掺杂化合物的电子态密度示意图。
[0019]图20是本专利技术的一实施例中FA1‑
X
Cs
x
PbI3(0≤x≤0.875)掺杂化合物的载流子有效质量示意图。
[0020]图21是本专利技术的一实施例中FA1‑
X
Cs
x
PbI3(0≤x≤0.875)掺杂化合物的价带顶电荷密度示意图；从左到右、从上到下X依次增大。
[0021]图22
‑
25分别是本专利技术的一实施例中FA1‑
X
Cs
x
PbI3(0≤x≤0.875)掺杂化合物的光吸收光谱示意图、折射光谱示意图、反射光谱示意图、消光光谱示意图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。
[0023]如图1所示，本专利技术是一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法，包括以下步骤：
[0024]步骤S1、基于第一性原理的密度泛函理论分析ABX3型钙钛矿纯物质单胞的晶体结构，基于容忍因子分析其晶体结构的稳定性；
[0025]步骤S2、设计A位阳离子部分置换掺杂的取代比例，然后按掺杂比例的大小，对ABX3型钙钛矿单胞进行扩胞，构型设计再掺杂；
[0026]步骤S3、分别对不同掺杂比例，同种比例不同掺杂位点的ABX3型钙钛矿进行优化，探索掺杂粒子可能以近邻聚集存在，或远离均匀态存在(目的是获得置换掺杂后体系总能最低状态的掺杂构型)，进行各种掺杂构型的第一性原理总能计算，同时获得各种掺杂比例的ABX3型钙钛矿晶体结构(晶格常数，键长等)，比较各种掺杂点位构型下体系的总能值大小，以获得能量最低的掺杂点位构型。
[0027]步骤S4、对每一种掺杂比例的ABX3型钙钛矿的最低能量构型进行容忍因子计算，并进一步根据容忍因子和掺杂形成能来判本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，计算获得ABX3型钙钛矿纯物质单胞的晶体学结构参数，基于容忍因子分析其晶体结构的稳定性；步骤S2、设计一系列A位阳离子部分置换掺杂的取代比例，然后基于可用的计算资源，构建超晶胞，按掺杂比例的大小，设置取代构型；步骤S3、设计出同种替代阳离子的不同掺杂比例，对每一掺杂比例，进一步设计取代不同掺杂取代的位点，探索掺杂粒子可能以近邻聚集存在，或远离均匀态存在，进行各种掺杂构型的第一性原理总能计算，同时获得各种掺杂比例的ABX3型钙钛矿晶体结构，比较各种掺杂点位构型下体系的总能值大小，以获得能量最低的掺杂点位构型；步骤S4、对每一种掺杂比例的ABX3型钙钛矿的最低能量构型进行容忍因子计算，并进一步根据容忍因子和缺陷形成能来判定其稳定性；步骤S5、对各种掺杂比例的ABX3型钙钛矿最低能量构型的电子结构进行计算分析，包括能带及能带间隙值，态密度、有效质量和电荷密度，分析晶胞参数改变对电子结构的影响；步骤S6、采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对某一掺杂成分及掺杂构型钙钛矿材料的光学性质进行计算和分析，进而获得介电函数实部和虚部矩阵，以及光吸收光谱、反射光谱、折射光谱和消光光谱；步骤S7、总结归纳A位阳离子掺杂对ABX3型钙钛矿结构、性能的改性规律，筛选性能优良的材料。2.根据权利要求1所述的一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法，其特征在于，步骤S1中，采用密度泛函理论的第一性原理计算方法，运用VASP软件包，采用PBE泛函计算分析ABX3型钙钛矿单胞的晶体学结构稳定性。3.根据权利要求1所述的一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法，其特征在于，所述ABX3型钙钛矿中存在有机离子，考虑PBE泛函对色散作用描述能力很差，因此引入经验的色散校正方法DFT+D3。4.根据权利要求1所述的一种ABX3型钙钛矿中A位离子掺杂改性的预测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：步骤S31、超晶胞构建完毕后，A位阳离子位点数为N
A
，超晶胞种A位阳离子位点取代个数为N
d
，设计A位阳离子掺杂取代构型时，考虑到坐标原点的可平移性，选定其中一个原子为固定取代位置，即作为参考原点，用组合方法，获得可能的掺杂取代位点构型数量M为：M＝C(N
A
‑
1)(N
d
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式1)对ABX3型钙钛矿置换掺杂化合物进行优化离子，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴波，姚其鹏，闻健森，蔡奇，萨百晟，邱羽，熊浩，杨爱军，黎健生，陈荣，张隆昆，何智汉，赵艳，王煜，
申请(专利权)人：福建江夏学院福建省计量科学研究院福建省眼镜质量检验站，
类型：发明
国别省市：