基于第一性原理的甲胺碘铅能带结构分析

彳亍模拟分析，得知它的晶格参数、能带结构对钙钛矿太阳

能电池性能的提高有着重大意义。目前高效的钙钛矿太 阳能电池中最常见的材料是甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)o 基于第一性原理，对CH3NH3PbI3钙钛矿建立了晶体

模型并计算了其能带结构。关键词:第一性原理；甲胺铅碘;卤族元素；能带结构 1 CH3NH3PbX3钙钛矿的晶体结构电池从下往上为玻璃衬底，FTO (Fluorine-doped

tin oxide)层，Ti02薄膜层，多孔的Ti02/钙钛矿层，

Spin-OMeTAD层以及银电极。其中，覆盖FTO的玻璃

衬底作为太阳能电池的阳极，最上层的银电极最为电池阴 极，Spin-OMeTAD层是空穴传输层(HTM)O钙钛矿型 化合物是钙钛矿太阳能电池的核心材料。钙钛矿型化合物 作为太阳光的吸收材料和电子中载流子的传输材料，对钙

钛矿太阳能电池的性能表现非常重要。钙钛矿太阳能电池可以认为是一种新型的固体染料

敏化太阳能电池。与非晶硅薄膜太阳能电池类似,钙钛矿 太阳能电池也具有类似的p-i-n结构:钙钛矿材料为I本 征层；而TiO2薄膜层是电子传输层(P型),Spin-OMeTAD

层为空穴传输层(N型)。当太阳光透过玻璃衬底，FTO 层以及TiOz薄膜层照射到钙钛矿材料上后，钙钛矿吸收

层吸收太阳光产生空穴电子对。钙钛矿吸收层所产生的 电子空穴对在钙钛矿吸收层/HTM界面和钙钛矿吸收层/ TiCU界面发生分离，其中电子注入FTO阳极，而空穴注

入到银阴极。最后，经外部电路循环，金属对电极复合形 成回路电流。2第一性原理计算方法及相关理论2.1第一性原理计算方法第一性原理(First Principles)计算方法，也称为从头

算法(Ab-inition calculation),是在电子层面上对材料的 结构和性质进行研究。它是通过求解系统的薛定谭方程获

取材料的物理(如光学、电学)等性质，从而对材料中出现的

一些物理现象进行解释，以及预测材料的性质和可能出现 的新现象。第_性原理计算方法是基于以下的3个假设 求解体系的薛定帶方程：(1)波恩-奥本海默(Born-Op-

pernbeimer)近似;(2)单电子近似;(3 )忽略原子核的量

子效应。第一性原理计算的过程中不需要任何经验参数,

只需要一些诸如普朗克常数、电子质量和电子电荷等基本

物理量和原子构型。因此，第一性原理计算方法是一种对 微观系统的状态和性质进行理论计算预测的方法。2.2密度泛函理论概述电子-电子以及电子-原子核之间的相互作用的问题 是薛定谭方程求解多粒子系统的主要难题。针对这一难 题，研究者们提出了_系列的方法用来近似、简化多粒子体

系的薛定谭方程，其中最重要、最经典的方法就是密度泛函 理论(Density functional theory, DFT)。密度泛函理论

是Hobenberg. Kohn和Sham于19年提出的，是目 前研究多粒子体系基态的一种常用方法。密度泛函理论将

多电子问题转化成单电子问题再进行处理,使用电子密度 表示能量,缩短了计算所需的时间。然而,密度泛函理论还

存在着一些不足，譬如计算结果的精度有限。2.3能量计算及分析根据半导体的基础知识,我们知道金属的导带和价带

相交，而半导体和绝缘体的导带和价带不相交，即半导体和 绝缘体的能带结构中会有禁带出现。半导体的能带禁带宽 度适中，电子获得足够的能量或动量就可以从价带跃迁到

导带。而绝缘体的禁带宽度较大，电子一般很难从价带跃 迁到导带。半导体可以分为直接带隙半导体和间接带隙半

导体。间接带隙半导体材料的导带最小值(即导带底)和满 带最大值在K空间中的位置不同，形成半满能带不只需要

吸收能量，还需要改变电子的动量。3 结束语通眇寸CHaNHaPbL钙钛矿进行优化并进行了能斷

算。在计算运行结束后，我们可以看到随着计算次数的不 断增加，能量在某一值附近，即对晶体进行的计算是收敛 的。同时我们可以得到相应的衍射图谱、带隙值和态密度

图等。得到的能量数据可以更好地帮助我们了解

CH3NH3PBI3钙钛矿材料,同时也为掺杂、替换相应的钙钛

矿做对比，具有很大的意义。参考文献：[1] 姚鑫，丁艳丽,张晓丹.钙钛矿太阳能电池综述[J].物理学

报,2015,(3):135-142.[2] 陆新荣，赵颖，刘建.ABX3型钙钛矿光伏材料的结构与性

质[J].无机化学学报,2015,31(9):78-86.(收稿日期= 2019-04-11)《湖北农机化》2019年第13期85