1、近年來，以鈣鈦礦(ABX3)為吸光材料的太陽能電池以其優(yōu)越的光電性能和簡單的制備工藝受到了研究者的青睞，其中研究最廣泛，發(fā)展最迅速的為有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池。有機(jī)鈣鈦礦具有高吸收系數(shù)、可調(diào)的直接帶隙、長載流子彌散長度、低激子結(jié)合能以及均衡的電子空穴遷移率。目前，經(jīng)過NERL認(rèn)證的最高光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)已經(jīng)超過22％。提高有機(jī)鈣鈦礦太陽能電池PCE的常用策略包括A，B，X位點(diǎn)離子的組分調(diào)控，電子和空穴傳輸材料的改善以及優(yōu)化設(shè)計(jì)電

2、池結(jié)構(gòu)。雖然實(shí)驗(yàn)室中的PCE增長迅速，但是仍然存在很多關(guān)鍵因素限制其進(jìn)一步發(fā)展，例如，器件的穩(wěn)定性，I-V曲線的回滯行為，昂貴的有機(jī)空穴傳輸材料（例如Spiro-OMeTAD），鈣鈦礦薄膜的大面積制備，鉛毒性等。為進(jìn)一步提高PCE，必須充分解決這些問題。隨著實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，大量的理論研究已用于解釋有機(jī)鈣鈦礦光電特性的內(nèi)在機(jī)制。目前使用最廣泛的理論方法為密度泛函理論(DFT)，基于DFT的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算已經(jīng)幫助我們深入理解了有機(jī)鈣鈦礦優(yōu)異光電特

3、性的物理基礎(chǔ)，例如合適的帶隙，雙極傳輸性，高吸光系數(shù)，可控?fù)诫s特性，缺陷容忍性，鐵電性，離子遷移，界面和表面，和幾何結(jié)構(gòu)特性等。盡管已經(jīng)取得了大量的研究成果，但是由于有機(jī)鈣鈦礦的多樣性和復(fù)雜性，仍然有很多特性沒有完全理解，需要利用新的理論是實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步研究。緊束縛密度泛函方法(DFTB)是DFT方法的一種近似，其較高的精度和更快的計(jì)算效率，為實(shí)現(xiàn)真實(shí)器件結(jié)構(gòu)的模擬提供了可能。此外，非平衡格林函數(shù)方法(NEGF)是研究開放體系電子輸運(yùn)性

4、質(zhì)的有力工具。因此，DFTB結(jié)合NEGF方法為我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)有機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸機(jī)制開辟了新的道路。充分理解有機(jī)鈣鈦礦內(nèi)部電子傳輸機(jī)制，不僅有助于進(jìn)一步改善太陽能電池的性能，而且為開發(fā)設(shè)計(jì)更簡單和/或更高效的新材料和器件結(jié)構(gòu)提供思路。
　　本論文主要探索有機(jī)鉛鹵鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，重點(diǎn)研究有機(jī)陽離子對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。通常使用的有機(jī)陽離子為非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有永久偶極矩，理論研究表明其轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)壘很低，在無機(jī)骨架中可以很容

5、易的發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和遷移，因此具有形成鐵電偶極序的能力，從而影響有機(jī)鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池對(duì)外加電壓的響應(yīng)和電子/空穴的傳輸。此外不同種類有機(jī)陽離子的混合對(duì)有機(jī)鉛鹵鈣鈦礦的穩(wěn)定性也有重要影響?；谀壳坝袡C(jī)鉛鹵鈣鈦礦的理論研究成果，本文系統(tǒng)研究了有機(jī)陽離子的重要作用。
　　本論文的主要工作有:
　　(1)研究表明鈣鈦礦中鐵電疇的出現(xiàn)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。本文中，我們使用DFTB+NEGF方法研究鐵電疇對(duì)甲胺鉛碘鈣鈦礦(MAPbI

6、3)的電子輸運(yùn)性質(zhì)和載流子復(fù)合率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，伴隨著鐵電疇的出現(xiàn)，鈣鈦礦的，帶隙減小，電導(dǎo)顯著增加，同時(shí)在鐵電疇局域電場的作用下電子和空穴的傳輸通道發(fā)生分離。此外，通過考慮電子與真空中光子的相互作用，我們計(jì)算了電子-空穴的復(fù)合率。計(jì)算結(jié)果表明，由于載流子傳輸通道的分離，具有鐵電疇的鈣鈦礦中電子-空穴的復(fù)合受到極大的抑制，因此鐵電疇的形成增強(qiáng)了鈣鈦礦的光電特性。
　　(2)有機(jī)鉛鹵鈣鈦礦APbX3的穩(wěn)定性是制約其應(yīng)用的重要因素，

7、對(duì)APbX3鈣鈦礦中A和X采用不同種類離子混合的化學(xué)組分調(diào)控是改進(jìn)其穩(wěn)定性最有效的方式之一。其中，A位點(diǎn)采用不同比例的甲脒離子(FA)，甲胺離子(MA)，CH(NH2)2+，Cs+，Rb+，B位點(diǎn)采用Pb2+，Sn2+等，X采用I-，Br-，Cl-是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。本文通過第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)的研究了FA1-xMAxPbI3體系的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)FA與MA的混合增加體系的穩(wěn)定性，其中FA0.5MA0.5PbI3最穩(wěn)定。通過分