环境友好型锡基钙钛矿材料中缺陷特性的理论研究

We systematically investigate the structural, optoelectronic properties and defect physics of perovskite solar cell based on first-principles calculations. To explore the irreplaceable effect of additive SnF2 in Sn-based perovskite systems, the extrinsic defects are also considered in our theoretical models. The change of formation energies of intrinsic defects before and after doping with SnF2 related defects will help us know the fundamental mechanism triggered by the exotic additive in Sn-based perovskites, which has often observed in experiments. However, since there is no clear explanation behind the obvious experimental phenomenon described above, the density function theory for studying the electronic properties of Sn-based perovskite solar cells will lead to the thorough understanding of inside physics. Furthermore, it’s known that cation mixed structure (MA0.25FA0.75)SnI3 show the highest power conversion efficiency (PCE) so far. We will similarly focus on its intrinsic and extrinsic defect physics after making sure its most stable structural model. These studies of defect physics in different Sn-based perovskites, mixed Pb-Sn systems and electronic properties affected by different additives of halide elements and organic molecules will provide the clear explanation of physical mechanisms and the useful strategy for designing the good Sn-based perovskite solar cell with higher PCE.

本课题使用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对目前光伏材料领域中关注度最高的钙钛矿太阳能电池材料进行结构、光电特性和缺陷性质的深入研究，探索锡基钙钛矿太阳能电池中不同添加剂的作用机制，首先从实验上具有共性的SnF2添加剂现象出发，计划通过研究非本征缺陷加入后本征缺陷形成能的变化规律，尝试揭示锡基钙钛矿中添加剂的物理作用本质。其次，对于锡基钙钛矿电池中拥有最高光电效率的阳离子混掺体系(MA0.25FA0.75)SnI3做重点关注，在确定其稳定构型和光电特性的基础上，计算总结出其本征缺陷及非本征缺陷的特性异同；另外，利用相似的计算方法进一步研究铅锡混掺体系和Br/Cl等卤族元素掺入纯锡体系后电子态性质的变化规律。总体而言，这一课题将对系统研究有机阳离子，金属阳离子的各式配比和不同添加剂在锡基钙钛矿中的影响作用有重要物理意义，同时也有助于指导实验上设计出更高光电性能的锡基光伏材料。

项目负责人系统研究了新能源材料的缺陷结构及能带特征，发展了用于提高材料及器件界面光电转换特性的多组分优化模型和缺陷钝化方法。通过建立不同元素配比体系和多种缺陷模型，分别从尺寸效应、成键特征和光电子特性来揭示固体材料中晶体结合规律、载流子迁移和光吸收等物理机制，形成了优化组分结构和缺陷钝化的有效调控策略，用于反馈或指导实验结果，并且能够指导新能源材料和光电子器件的应用研究。在项目执行期间，项目负责人总共发表了高水平SCI学术论文20多篇，与本课题密切关联的代表性成果包括：1.系统研究不同组分配比下钙钛矿体系的带隙演变规律以及无机铯原子对于超氧离子缺陷的钝化作用，提出了混掺阳离子的种类、浓度对于光电性能的调控机制。 2.从实验和理论两方面共同研究了气相沉积中不同铵盐对钙钛矿结构维度和缺陷钝化的作用，提出了以胺盐的给电子能力作为钙钛矿气相反应中结构及缺陷钝化的一个特征指标。并提出具有类似硅树脂网格式结构的分子材料，可以进一步提高钙钛矿材料的稳定性。3.对全无机钙钛矿稳定性、缺陷光电特性进行系统研究，发现卤族元素混掺不仅可以提高稳定性，更能够对主导性缺陷以及导电性进行调谐。