csgei3电子结构的研究
随着科技的不断发展，能源紧缺问题日益严重，传统的化石能源无法持续再生且在使用时会对环境造成巨大的污染，而太阳能做为一种可持续的清洁新能源已经引起了越来越多人的关注和研究。在太阳能材料电池的发展过程中最先出现的是硅型半导体太阳能电池，之后是薄膜型太阳能电池，前者光电效率高，但制作成本高，工艺要求复杂，后者虽然成本低，但是其转换效率不尽如人意。最近出现的钙钛矿太阳能电池在实验中表现出不错的性能。 我们研究的CsGeI3太阳能电池材料属于钙钛矿材料的一种。在此次研究中我能采用第一性原理计算其电子结构，分析其特性，得到了以下几个结论1、六角相晶格结构最为稳定，是一种直接带隙半导体。2、通过施加2 Gpa的压力使六角相转换为立方相，从而表明外加压力可以很好的调控电子结构。通过这种方法可以诱导出更加丰富的稳定结构。关键词 钙钛矿，太阳能电池，第一性原理，电子结构
目录
CsGeI3电子结构的研究 1
1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究现状 2
1.3存在问题 4
1.4课题研究 4
2计算方法 5
2.1 密度泛函理论的简介 5
3 计算内容 7
3.1CsGeI3的四种结构 8
3.2 CsGeI3的四种晶格结构的研究 8
3.3 能带和态密度 9
3.4 外加压力下立方相和六角相能量比较 10
3.5 外加压力下立方相的能带结构和态密度 11
3.6 各项异性应力下晶格结构的变化 13
结论 14
致谢 15
参考文献 16
CsGeI3电子结构的研究
1 绪论
1.1研究背景
随着世界科技不断地发展，能源危机已经成为阻碍经济发展和世界和平的首要问题，并成为了各国关注的焦点。现在大量使用的传统化石能源不仅存储量有限，并且无法再生，另外在使用传统能源时会对环境产生巨大的污染[1]。太阳能电池作为一种新型的清洁可再生能源受到越来越多的人关注。现在各个国家的研究者对开发新型高效率低成本的太阳能电池有巨大的兴趣。有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
光电转换领域具有重要的应用前景，这种太阳能电池使用的是全固态钙钛矿结构的吸光材料[2]，其能隙约为1.5 eV，消光系数高，可以吸收800 nm以下的太阳光[3]。这种太阳能电池最早是由日本的Miyasaka研究组提出的，当时这种材料的效率只有3.8%，但随着近年来不断地研究，效率不断提升，目前效率值最高的是由韩国化学研究所得到的20.1%[4]。这种材料的电池与第一代硅型太阳能电池相比，虽然提高了转换效率，但制作工艺更为复杂，制作成本高，耗能大。第二代薄膜型太阳能虽然工艺简单，成本低，耗能少，但转换效率低而且会导致光致衰退效应。因此，使用有机无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池在当今的光伏技术领域具有很强的竞争力。
图1.1：(a)为能源危机，(b)为太阳能电池。
1.2研究现状
图1.2为太阳能电池材料的种类和发展历史，从上图中我们可以了解到，以硅为材料的太阳能材料由于光电转换效率高，制作工艺比较成熟，在大规模生产中依然占据着主导地位。但由于这种太阳能电池的材料稀有且价格高昂，制作的流程也过于繁杂，导致其成本一直居高不下。因此，在此基础上研究出来的多晶硅材料[5][6]，虽然在制作工艺上与单晶硅[7][8]相差无几，但由于节省了原材料，所以成本有所降低，但其光电转化效率也有所降低，为1718%左右[9]，并且这种太阳能电池的寿命也比单晶硅太阳能电池短一些。为了进一步降低成本，非晶硅薄膜材料就被研发出来。非晶硅薄膜材料[10]尽管是一种优秀的太阳能电池材料，但由于它的敏感光谱区间不够宽，导致其光电转换效率比较低[11]。而且这种太阳能电池在使用过程中还会产生光致衰退效应[12]导致电池本身的寿命和稳定性不是十分良好。
（a） （c）
图1.3：图中三种太阳能电池材料（a）图显示的是单晶硅太阳能电池样本，（c）为非晶硅薄膜太阳能电池样本。
近几年，许多科学家都在对钙钛矿太阳能电池材料进行研究，希望寻找到优秀的太阳能电池材料。现在在对钙钛矿材料的研究中比较普遍的是CH3NH3PbI3钙钛矿，并且在最近的研究中表明这种混合型钙钛矿材料[13]具有比较良好的光电转换效率。这种混合型钙钛矿材料采用的是A、B、X混合的方式，在对于A处的混合研究中，一些研究员使用甲胺(CH3NH3 +，MA)和甲脒(C10H15N2+，FA)混合得到FxMA1－xPbI3(x=0－1)钙钛矿材料对比于MAPbI3材料在短路电流方面有了显著的提升[14]。但是，通过研究Snaith 等研究人员发现了一个问题，就是CH3NH3PbI3－xClx(x=0－3)这种钙钛矿材料的禁带宽度还是大于1μm。在对于B混合的研究中，实验发现了一种有较宽的光谱响应范围（可以对红外光产生响应）的材料，那就是Sn基钙钛矿材料[15]。此外根据Kanatzidis 等研究人员制作了CH3NH3SnI3钙钛矿太阳能电池，可以了解到在使用了spiroOMeTAD作为传输层后，可以让这种钙钛矿太阳能材料吸收950 nm左右的光，相比于Pb基钙钛矿太阳能材料的响应光谱范围有明显的向红外位移趋势[16]。此外他们还合成了一系列混合 CH3NH3Sn1－xPbxI3钙钛矿，通过研究他们证明了这种钙钛矿太阳能材料的良好的光谱响应范围是在700 nm—1000 nm之间[17]。随着许多科学家对钙钛矿太阳能电池的研究，这种材料得到了不断地改善。于是Hayase 等研究人员公布了全固态Sn/Pb基混合钙钛矿太阳能电池，并且发现了一种可以吸收波长为1060 nm的光的钙钛矿材料，那就是CH3NH3Sn0.5Pb0.5I3钙钛矿太阳能材料[18]。但是，对于这种Sn/Pn基混合的钙钛矿太阳能电池材料的研究还没有引起广泛的关注，因此对于这方面的研究还不是特别的详细[19]。
图1.4：钙钛矿太阳能材料的结构。
1.3存在问题
目录
CsGeI3电子结构的研究 1
1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究现状 2
1.3存在问题 4
1.4课题研究 4
2计算方法 5
2.1 密度泛函理论的简介 5
3 计算内容 7
3.1CsGeI3的四种结构 8
3.2 CsGeI3的四种晶格结构的研究 8
3.3 能带和态密度 9
3.4 外加压力下立方相和六角相能量比较 10
3.5 外加压力下立方相的能带结构和态密度 11
3.6 各项异性应力下晶格结构的变化 13
结论 14
致谢 15
参考文献 16
CsGeI3电子结构的研究
1 绪论
1.1研究背景
随着世界科技不断地发展，能源危机已经成为阻碍经济发展和世界和平的首要问题，并成为了各国关注的焦点。现在大量使用的传统化石能源不仅存储量有限，并且无法再生，另外在使用传统能源时会对环境产生巨大的污染[1]。太阳能电池作为一种新型的清洁可再生能源受到越来越多的人关注。现在各个国家的研究者对开发新型高效率低成本的太阳能电池有巨大的兴趣。有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
光电转换领域具有重要的应用前景，这种太阳能电池使用的是全固态钙钛矿结构的吸光材料[2]，其能隙约为1.5 eV，消光系数高，可以吸收800 nm以下的太阳光[3]。这种太阳能电池最早是由日本的Miyasaka研究组提出的，当时这种材料的效率只有3.8%，但随着近年来不断地研究，效率不断提升，目前效率值最高的是由韩国化学研究所得到的20.1%[4]。这种材料的电池与第一代硅型太阳能电池相比，虽然提高了转换效率，但制作工艺更为复杂，制作成本高，耗能大。第二代薄膜型太阳能虽然工艺简单，成本低，耗能少，但转换效率低而且会导致光致衰退效应。因此，使用有机无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池在当今的光伏技术领域具有很强的竞争力。
图1.1：(a)为能源危机，(b)为太阳能电池。
1.2研究现状
图1.2为太阳能电池材料的种类和发展历史，从上图中我们可以了解到，以硅为材料的太阳能材料由于光电转换效率高，制作工艺比较成熟，在大规模生产中依然占据着主导地位。但由于这种太阳能电池的材料稀有且价格高昂，制作的流程也过于繁杂，导致其成本一直居高不下。因此，在此基础上研究出来的多晶硅材料[5][6]，虽然在制作工艺上与单晶硅[7][8]相差无几，但由于节省了原材料，所以成本有所降低，但其光电转化效率也有所降低，为1718%左右[9]，并且这种太阳能电池的寿命也比单晶硅太阳能电池短一些。为了进一步降低成本，非晶硅薄膜材料就被研发出来。非晶硅薄膜材料[10]尽管是一种优秀的太阳能电池材料，但由于它的敏感光谱区间不够宽，导致其光电转换效率比较低[11]。而且这种太阳能电池在使用过程中还会产生光致衰退效应[12]导致电池本身的寿命和稳定性不是十分良好。
（a） （c）
图1.3：图中三种太阳能电池材料（a）图显示的是单晶硅太阳能电池样本，（c）为非晶硅薄膜太阳能电池样本。
近几年，许多科学家都在对钙钛矿太阳能电池材料进行研究，希望寻找到优秀的太阳能电池材料。现在在对钙钛矿材料的研究中比较普遍的是CH3NH3PbI3钙钛矿，并且在最近的研究中表明这种混合型钙钛矿材料[13]具有比较良好的光电转换效率。这种混合型钙钛矿材料采用的是A、B、X混合的方式，在对于A处的混合研究中，一些研究员使用甲胺(CH3NH3 +，MA)和甲脒(C10H15N2+，FA)混合得到FxMA1－xPbI3(x=0－1)钙钛矿材料对比于MAPbI3材料在短路电流方面有了显著的提升[14]。但是，通过研究Snaith 等研究人员发现了一个问题，就是CH3NH3PbI3－xClx(x=0－3)这种钙钛矿材料的禁带宽度还是大于1μm。在对于B混合的研究中，实验发现了一种有较宽的光谱响应范围（可以对红外光产生响应）的材料，那就是Sn基钙钛矿材料[15]。此外根据Kanatzidis 等研究人员制作了CH3NH3SnI3钙钛矿太阳能电池，可以了解到在使用了spiroOMeTAD作为传输层后，可以让这种钙钛矿太阳能材料吸收950 nm左右的光，相比于Pb基钙钛矿太阳能材料的响应光谱范围有明显的向红外位移趋势[16]。此外他们还合成了一系列混合 CH3NH3Sn1－xPbxI3钙钛矿，通过研究他们证明了这种钙钛矿太阳能材料的良好的光谱响应范围是在700 nm—1000 nm之间[17]。随着许多科学家对钙钛矿太阳能电池的研究，这种材料得到了不断地改善。于是Hayase 等研究人员公布了全固态Sn/Pb基混合钙钛矿太阳能电池，并且发现了一种可以吸收波长为1060 nm的光的钙钛矿材料，那就是CH3NH3Sn0.5Pb0.5I3钙钛矿太阳能材料[18]。但是，对于这种Sn/Pn基混合的钙钛矿太阳能电池材料的研究还没有引起广泛的关注，因此对于这方面的研究还不是特别的详细[19]。
图1.4：钙钛矿太阳能材料的结构。
1.3存在问题
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