非s孤对电子构型的类钙钛矿太阳能电池材料理论研究

Recent years, the field of photovoltaics is undergoing a surge of interest following the discovery of the organic-inorganic halide perovskite CH3NH3PbI3 as its excellent photoelectric properties and high photoelectric conversion efficiency. However, stability and toxic issues are the major concerns limiting the use of CH3NH3PbI3 in commercial photovoltaic devices. Many previous researches attribute these remarkable photoelectric properties to the “lone-pair s” electronic configuration of lead. Unfortunately, there is no one perovskite material can compare favourably with CH3NH3PbI3. In the previous studies, the proposer found the outstanding photoelectric properties of perovskite-like materials rooted in the antibonding orbital character of VBM, which is not must derived from “lone-pair s” electron. So we can research outward to "non-lone-pair s" electronic configuration materials. This project plans to investigate the crystal structures, stability, photoelectric properties and defect properties for the case of "non-lone-pair s" electronic configuration perovskite-like materials by first-principles calculations, and to find several high efficiency and stability perovskite-like materials used for solar cell finally. Meanwhile, it will provide a novel way for searching new solar cell materials beyond perovskite.

最近几年，有机-无机杂化卤化钙钛矿CH3NH3PbI3因其优良的光电性能与较高的光电转换效率引起了人们的广泛关注，但其较差的稳定性和Pb元素带来的毒性问题成为了制约其商业化大规模应用的主要因素。前期很多研究报道认为引起CH3NH3PbI3优良光电性能的主要原因是Pb的“s孤对电子”，但遗憾的是目前仍没有找到一种可与CH3NH3PbI3相媲美的钙钛矿材料。申请人在前期的研究中发现，引起钙钛矿类材料优良光电性能的主要原因是材料的价带顶具有较强的反键态轨道特征，该特征并不必须源自s孤对电子，故可将研究目标拓展到具有“非s孤对电子”构型的材料上。本项目计划通过第一性原理计算系统探究一系列具有“非s孤对电子”构型材料的晶体结构、稳定性、光电性质与缺陷等性质，最终找到几种新型高效稳定太阳能电池材料，为搜寻超越钙钛矿之外的新型太阳能电池材料提供新的思路。

最近几年，有机-无机杂化卤化钙钛矿CH3NH3PbI3因其优良的光电性能与较高的光电转换效率引起了人们的广泛关注，但其较差的稳定性和Pb元素带来的毒性问题成为了制约其商业化大规模应用的主要因素。前期很多研究报道认为引起CH3NH3PbI3优良光电性能的主要原因是Pb 的“s孤对电子”，但遗憾的是目前仍没有找到一种可与CH3NH3PbI3相媲美的钙钛矿材料。我们在前期的研究中发现，引起钙钛矿类材料优良光电性能的主要原因是材料的价带顶具有较强的反键态轨道特征，该特征并不必须源自s孤对电子，故将研究目标拓展到具有“非s孤对电子”构型的材料上。本项目原计划从材料的稳定性和反键耦合约束条件出发，通过高通量快速筛选方法系统研究“非s孤对电子”构型的新型类钙钛矿材料，依次对初步筛选出来的太阳能材料进行光电性能和缺陷性质等方面的定量计算，并进一步探究其性能优良的物理本质，最终找出可同时解决稳定性和环境相容性问题的“非s孤对电子构型”的新型类钙钛矿太阳能材料。在该项目的资助下，取得了一系列研究进展和成果，包括：（1）基于稳定性和反键耦合约束条件筛选出了稳定性良好的类钙钛矿材料，比如双钙钛矿Ba2BiTaO6和铜基钙钛矿Cs3CuI5；（2）针对找出的目标材料，结合其光电性能和缺陷性质给出它们与钙钛矿电子结构之间的演变规则和有效掺杂方案。在国际主流的物理、化学及材料期刊上共发表相关论文5篇。

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