压强对有机—无机杂化钙钛矿材料电子结构调制的第一性原理研究

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自2009年以来,有机-无机杂化钙钛矿作为光吸材料的新型太阳能电池受到了广泛关注。理论和实验结果证明,钙钛矿材料MAPbI3几乎具有完美光吸收的所有条件:合适的直接带隙,较高的光吸收系数,优异的载流子输运性能以及较高的缺陷容忍度,成为了当今可再生能源领域的热点。然而受晶体自身禁带宽度Eg的影响,如何进一步有效的寻找到带隙值更窄以及化学性质稳定的钙钛矿材料,具有重要的应用价值和科研意义。压强作为一个基本物理学参量,目前在材料科学等领域获得很好的应用和发展。实验研究发现,压强作用下的MAPbI3实现了体系的禁带宽度和载流子寿命的协同调控,这两点都是提高光伏性能非常重要的参考因素。基于这一实验结果,本文在基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算的基础上,利用VASP模拟软件包,通过改变钙钛矿MAPbX3(X=I,Br)的晶格常数进行加压模拟计算,系统的研究了压强作用下钙钛矿材料的电子结构的变化,并通过计算结果分析了压强作用下带隙值变化的物理机制。(1)对于立方相钙钛矿MAPbI3,第一性原理计算结果表明:压强作用下体系的禁带宽度会呈现一个先减小再增加的趋势,在2.772 GPa压强下,带隙值达到一个极小值,为1.114eV。继续加压,MAPbI3的带隙值重新变大,并将逐渐的偏离高对称点R,由直接带隙转变为间接带隙,当压强增加到80 GPa附近时,MAPbI3可以转化成0带隙的晶体结构。由压强作用下MAPbI3的几何和电子结构分析表明,带隙值变化的机制可以系统的通过MA阳离子和PbI6正八面体无机笼之间的氢键作用进行半定量的描述:晶格常数的减小使得体系带隙值减小,八面体PbI6的旋转和扭曲,使得带隙值增加。在压强作用下,I原子通过靠近氨末端的H原子而响应,会引起了PbI6八面体发生不同程度的倾斜和扭曲,导致体系的晶格对称性发生破坏,晶体结构内主要的Pb-I-Pb键角偏离了理想晶格体系下的180°,使得Pb、I原子之间的电荷密度函数发生变化,进而影响MAPbI3体系在不同压强下的电子结构以及光学性质的变化。(2)为了验证压强对纯净的钙钛矿体系的禁带宽度的调制是否具有普适性,在MAPbI3计算的基础上,又选取了环境压力下禁带宽度较大的MAPbBr3立方相的晶体结构模型进行加压计算。理论计算结果表明:在一定的压强范围内,MAPbBr3体系的禁带宽度同样的会呈现一个先减小再增加的趋势,在1.877 GPa压强下,体系的禁带宽度达到一个极小值,为1.834eV。压强作用下带隙值的变化特征与MAPbI3的基本一致,说明了压强对于钙钛矿体系的禁带宽度的调制具有重要的研究意义。(3)半导体的电子结构从根本上决定了体系的光学性质,本文通过第一性原理计算了钙钛矿材料MAPbX3(X=I,Br)在不同压强下的光吸收谱。压强作用下体系的吸收边会明显的向长波方向移动,这是由于系统带隙值的变化,对应电子从价带顶到导带底的跃迁。与此同时,体系的光吸收率也会明显的高于环境压力下。钙钛矿作为一类直接带隙的半导体,在压强作用下表现出的良好的物理特性,对其光学性质的深入研究具有重要的指导意义。
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