高效率钙钛矿太阳能电池使役环境下的稳定性机理研究

Organometal perovskites which possess excellent photoelectric conversion properties are considered to be the next-generation solar cell materials, and likely to replace the conventional silicon-based solar cells. Aiming at solving the key problem of instability of the materials and devices of perovskite solar cells, we plan to employ the first-principles high-throughput computation and molecular dynamics simulation to systematically and comprehensively investigate the evolution processes of the composition and structure of perovskite solar cells in operating environments and clarify the mechanism of the regression of the battery performance. In this project, we will consider not only the composition and structure of perovskite-type materials, but also the external environments of water vapor, oxygen and finite temperature on the effects of the performance and stability of perovskite solar cells, especially the adsorption and decomposition behaviors on the surface of perovskite-type materials. We will also introduce a perturbation model to fully assess the impacts of all kinds of factors on the stability of perovskite-type materials. Through these researches, we will finally establish the correlation between the composition，structure and operation environments of perovskite-type materials and the battery life. The accomplishments of the present project will benefit the development of our photovoltaic materials with independent intellectual property rights.

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池具有优异的光电转换性能，被认为是最有可能取代传统硅太阳能电池的新一代太阳能电池。本项目针对钙钛矿太阳能电池材料和器件稳定性差的关键问题，拟通过第一原理高通量计算及分子动力学模拟系统全面地研究钙钛矿太阳能电池使役环境下的成分和结构演化过程并阐明其电池性能衰退的内在机理。本项目不仅考虑钙钛矿型材料的成分和结构，还将考虑水蒸气、氧和有限温度等外在环境对钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的影响，尤其是钙钛矿材料的表面吸附和分解等行为。本项目还将引入微扰模型全面评估各因素对钙钛矿材料稳定性的影响程度。通过本项目的研究，我们最终建立钙钛矿材料成分、结构和使役环境与电池寿命的关联性。本项目的研究成果可以为我国发展具有自主知识产权的光电材料提供必要的理论支撑。

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其优异的光电性能和潜在的太阳能电池应用前景，引起了人们极大的兴趣。为了解决钙钛矿太阳能电池材料和器件稳定性差的关键问题，我们通过第一原理高通量计算及分子动力学模拟系统全面地研究钙钛矿太阳能电池使役环境下的成分和结构演化过程，包括材料筛选、表面和界面模拟。 . 在材料筛选方面，我们通过密度泛函理论和结构因子分析，系统地研究了90种四方有机-无机钙钛矿。通过分解焓、带隙和优化的原子结构，17种潜在的钙钛矿材料被筛选出。由于没有考虑电子效应，结构因子筛选结果不是决定性的。此外，我们还发现将两种不同的ABX3钙钛矿混合是一种有效的改善混合体系性能的方法。 . 在表面模拟方面，我们考虑了水、氧、有限温度等环境因素对钙钛矿型太阳电池性能和稳定性的影响。计算结果表明，随着温度的升高，体积和Pb-I键长都有较大的增加，并且有机团簇发生明显的旋转。从原子尺度上，我们的研究揭示了氧和水在不同表面上的占据及其对结构的影响。特别是对于被水吸附的表面，我们比较了不同缺陷的形成能。其结果表明，水吸附表面能够降低各种缺陷的形成能，并且水能与MA和Pb发生较强的相互作用，最终促进表面的分解。. 在界面模拟方面，我们考虑了三种不同的电子传输层材料，如TiO2、SnO2和CeO2。利用密度泛函理论，我们系统地研究了它们的结构和电子性质。对于TiO2/钙钛矿和SnO2/钙钛矿界面，我们的模拟结果表明，界面Pb-O、Ti-I和Sn-I键对界面的稳定性至关重要，尤其是界面Pb原子使氧空位的形成变得更加困难，这有利于提高该太阳能电池的性能。此外，我们的研究结果还表明，Al掺杂改性可以适当地改善TiO2/钙钛矿界面的性质；对于SnO2/钙钛矿界面，氧空位的低形成能有利于氧从SnO2向钙钛矿层的扩散。. 该理论研究结果有望为新型钙钛矿型太阳能电池的设计提供有益的指导。