利用Rashba效应设计具有超长载流子扩散长度的无铅钙钛矿材料

Hybrid organic-inorganic perovskites are important materials used as the absorption layer and acting a key role in the next generation solar. The extreme long diffusion length of the carriers in these perovskites is a hot topic in the research field. Recent study shows that, the Rashba effect splits one band to two bands with special spin texture in the typical hybrid perovskite CH3NH3PbI3. The spin helix direction of the electrons on conduction band minimal and the holes on valence band maximum is opposite. This lead the long carrier lifetime and the long diffusion length. Moreover, the small change of Rashba split energy can make significant change of the carrier diffusion length. Base on this mechanism, we introduce a new method to find Pb-free perovskites with long carrier diffusion length. Furthermore, the external electric field can simultaneously change the band gap and the Rashba split energy in 2D hybrid organic-inorganic perovskites. This makes more possibility for us to utilize the hybrid organic-inorganic perovskites.

有机/无机钙钛矿材料是新一代太阳能电池吸收层的重要材料。超长电子-空穴扩散长度（100-1000nm）是当今该领域的研究热点。最近的研究表明，典型有机/无机钙钛矿材料CH3NH3PbI3中的Rashba效应会使带边的一条能带劈裂成具有特殊自旋结构的两条能带。导带底电子和价带顶空穴的自旋螺旋方向相反，导致电子-空穴寿命和扩散长度增大。Rashba劈裂能的微小改变（~0.1eV）可以使电子-空穴扩散长度发生显著的变化。基于这种机理，我们提出了筛选和设计具有长电子-空穴扩散长度的非铅钙钛矿材料的新方法。还有，施加外电场可以同时调节二维有机/无机钙钛矿材料禁带宽度和Rashba劈裂能，这为我们利用二维有机/无机钙钛矿材料提供了更多的可能性。

有机/无机钙钛矿材料是新一代光电转换材料的研究热点。它具有超长的载流子扩散长度、自旋轨道耦合效应和正八面体自发扭曲等特性。在本项目中，首先，我们利用LDA-1/2方法快速准确的计算有机/无机钙钛矿材料的能带结构和Rashba劈裂，这为接下来的材料筛选奠定基础。然后，我们结合Shockley-Queisser方法开发出了计算太阳能电池宏观参数的程序，建立材料微观电子结构和太阳能电池宏观参数之间的联系。该程序可以计算短路电流Jsc、开路电压Voc、填充因子FF、光电转换效率PCE。其次，我们发现Cs3PbI3中八面体自发扭曲引发的局部中心反演对称性破坏可以导致Rashba效应。更有趣的是，新分裂出来的两个电子态在实空间上分别局域在两个不同的Pb原子上，且它们的自旋期望值大小相等、方向相反。这个发现丰富了我们对Rashba效应的理解。最后，我们找到了具有II型能带对齐的二维钙钛矿异质结材料，我们还研究了应力、层数和外加电场对它的调控。