第一性原理计算研究钙钛矿太阳能电池的光稳定性

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环境污染和能源危机是制约人类社会可持续发展的重大问题。太阳能电池可以有效地将取之不尽用之不竭的太阳能直接转换为电能,被视为最有希望解决环境污染和能源危机的可持续清洁能源。然而,目前市场应用最广泛的第一代晶硅太阳能电池,由于制造工艺复杂、制造成本高、且制造过程中伴随严重的环境污染,限制了太阳能电池的大规模应用。第三代钙钛矿太阳能电池自问世以来,依靠其制作工艺简单、生产成本低、光电转化效率高的优势,引起广泛的关注,成为最有希望取代晶硅太阳能电池进行大规模工业化应用的电池。然而钙钛矿太阳能电池自身存在着稳定性问题,特别是光稳定性问题,限制了钙钛矿太阳能电池的产业化生产。在长时间光照下,钙钛矿材料极易分解。本文基于密度泛函理论,用第一性原理计算方法细致研究了钙钛矿太阳能电池光稳定性。通过对室温下二维CH3NH3PbI3钙钛矿结构进行基态的分子动力学和实时演化的激发态分子动力学模拟,我们比较了无光照和紫外光照射下二维CH3NH3PbI3钙钛矿结构性质。模拟结果表明无光照情况下,二维CH3NH3PbI3钙钛矿结构Pb-I键的键长变化在正常热扰动范围内,说明无光照下二维CH3NH3PbI3钙钛矿结构比较稳定。通过对二维CH3NH3PbI3钙钛矿结构进行实时演化的分子动力学模拟,我们研究了不同波段的紫外光照射下,二维CH3NH3PbI3钙钛矿结构的稳定性。我们发现,紫外光照射下,二维CH3NH3PbI3钙钛矿的Pb-I键键长较无光照时涨落加剧,说明紫外光会促进钙钛矿的分解,影响其光稳定性。并且通过对不同波长下紫外光照射的CH3NH3PbI3结构性质进行比较,我们发现照射的紫外光波长越短,钙钛矿的Pb-I键破坏越严重,钙钛矿结构更易分解。此外,我们还研究了室温下TiO2/CH3NH3PbI3异质结结构Ti02中氧缺陷对钙钛矿结构稳定性的影响。我们发现,无光照时和有光照情况下,随着氧空位浓度的增多,钙钛矿的Pb-I键键长热涨落幅度均增大,说明氧空位的增加会影响钙钛矿材料的结构稳定性。在紫外光照射下,TiO2/CH3NH3Pb13异质结结构中的Pb-I键键长涨落较无光照情况时加剧,部分原子偏离正常位置,说明CH3NH3Pb13材料发生分解。综上所述,紫外光照射会引起钙钛矿材料的分解,影响钙钛矿的结构稳定性。且紫外光波长越短,钙钛矿稳定性越差。界面处TiO2的氧缺陷会催化钙钛矿结构的分解,导致电池效率的下降。我们的结果从原子角度细致研究了引起钙钛矿材料的光稳定的根本原因,为解决钙钛矿的光稳定性问题提供了思路。
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