[發(fā)明專利]一種穩(wěn)定高效有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦型光吸收材料的篩選方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110537219.5
• 申請(qǐng)日: 2021-05-18
• 公開（公告）號(hào): CN113362914A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉冬艷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈陽(yáng)大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C60/00
• 分類號(hào): G16C60/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定高效有機(jī)?無機(jī)雜化鈣鈦礦型光吸收材料的篩選方法。該篩選方法包括以下步驟：（1）構(gòu)建原始ABX₃型有機(jī)?無機(jī)雜化鈣鈦礦型超胞結(jié)構(gòu)骨架；（2）采用元素替換法，逐個(gè)替換A位及B位離子，構(gòu)建備選結(jié)構(gòu)模型；（3）計(jì)算備選模型的容忍因子；（4）利用第一性原理計(jì)算對(duì)各備選模型進(jìn)行充分的結(jié)構(gòu)弛豫，計(jì)算其形成能；（5）利用第一性原理計(jì)算備選模型的電子性質(zhì)及光吸收性質(zhì)，篩選穩(wěn)定高效光吸收材料。本發(fā)明提供了一種穩(wěn)定高效有機(jī)?無機(jī)雜化鈣鈦礦型光吸收材料的篩選方法，縮短了新型鈣鈦礦型光電池的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本，具有重要的實(shí)際意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池光吸收材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)領(lǐng)域，特別涉及一種基于第一性原理的有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦型光吸收材料的篩選方法，屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

能源枯竭和環(huán)境問題是當(dāng)今人類社會(huì)所面臨的兩大主要問題。為了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，新型可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用刻不容緩，新一輪能源革命必將蓬勃興起。不同于化石能源，太陽(yáng)能是一種清潔的無計(jì)成本的能源，開發(fā)和利用受地域限制程度極低，且不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。因此，太陽(yáng)能的利用和轉(zhuǎn)換是解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的一條重要途徑。太陽(yáng)能光電池技術(shù)能夠?qū)⑻?yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，在解決人類面臨的兩大問題方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。

自美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出世界上第一塊硅基半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池以來，研究者們以單質(zhì)硅為核心開發(fā)出了一系列單晶硅、多晶硅及微晶硅太陽(yáng)能電池。雖然目前商用太陽(yáng)能電池仍舊以硅基太陽(yáng)能電池為主，但是硅基太陽(yáng)能電池存在著工藝復(fù)雜、造價(jià)高昂的等問題。為了解決這一問題，研究者們開發(fā)了基于薄膜材料的太陽(yáng)能電池。薄膜太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本低于單晶硅，并且薄膜技術(shù)有利于太陽(yáng)能電池的批量生產(chǎn)，但其光電轉(zhuǎn)換效率低于硅基太陽(yáng)能電池，而且其常用材料中的組成元素大都具有毒性，會(huì)對(duì)環(huán)境及人類的健康產(chǎn)生危害。因此薄膜太陽(yáng)能電池并不是理想的太陽(yáng)能電池材料。

為進(jìn)一步降低成本、提升光電轉(zhuǎn)換效率，研究者們對(duì)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的理論極限及能量損失機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，并提出了新型太陽(yáng)能電池的概念。

2009年，日本的T.Miyasaka等人利用鹵化鉛甲胺CH₃NH₃PbX₃(X＝Br,I)替代傳統(tǒng)染料敏化電池中的染料分子作為吸光材料，首次將有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦半導(dǎo)體應(yīng)用于太陽(yáng)能電池中。隨后十幾年里，得益于有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料優(yōu)異的光電性能，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)飛速發(fā)展，轉(zhuǎn)化效率節(jié)節(jié)攀升。目前，中國(guó)科學(xué)院的研究工作者們已經(jīng)將鈣鈦礦型半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的認(rèn)證最高效率提升至23.7％，使鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的效率足以與硅基太陽(yáng)能電池及多種薄膜類太陽(yáng)能電池相媲美。

然而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池要想真正邁向商業(yè)化，還需要有很長(zhǎng)的一段路要走。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研發(fā)依舊存在著穩(wěn)定性差、過度依賴重金屬元素鉛、滯后效應(yīng)、光照時(shí)易發(fā)生相分離、缺陷較多、器件有效工作面積較小等諸多問題。其中，較差的穩(wěn)定性嚴(yán)重阻礙其邁向商業(yè)化應(yīng)用。在服役過程中，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦較差的穩(wěn)定性導(dǎo)致其極易分解，進(jìn)而大大降低光電轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換效率。在保證良好的光電轉(zhuǎn)換效率的前提下，設(shè)計(jì)新型穩(wěn)定有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料的解決這個(gè)問題的重要途徑之一。因此，篩選出新型穩(wěn)定高效有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦型光吸收材料具有非常重要的實(shí)踐價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明目的在于提供一種基于第一性原理的有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦型光吸收材料的篩選方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

(1)構(gòu)建原始ABX₃型有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦型超胞結(jié)構(gòu)骨架；

(2)采用元素替換法，逐個(gè)替換A位及B位離子，構(gòu)建備選結(jié)構(gòu)模型；

(3)計(jì)算備選模型的容忍因子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性篩選，剔除掉結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的備選模型；