基于DFT方法设计卤化物修饰的甲基铵铅[CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br, I)]材料的高效钙钛矿太阳能电池：结构、光电、光学及光伏特性研究

《Results in Engineering》：High-Efficiency Perovskite Solar Cells Design from Halide-Modified Methylammonium Lead [CH?NH?PbX? (X?=?Cl, Br, I)] Material through DFT Approach: Study of Structural, optoelectronic, Optical and Photovoltaic Properties

　　

金属卤化物钙钛矿材料，例如卤化物修饰的甲基铵铅钙钛矿MAPbX₃ (X = Cl, Br, I)，是下一代光电子学和光伏领域最有前途的半导体材料。本工作基于维也纳从头算模拟包(VASP)和广义梯度近似(GGA-PBE)，从第一性原理出发对它们的结构、光学和电子性质进行了综合研究。结构优化显示，正交晶格参数和正交晶胞体积均随卤化物离子半径的减小（从碘化物到氯化物）而减小。所有三种化合物在电子结构上均在Γ点具有最佳直接带隙。通过卤化物取代实现了精确的带隙调控，MAPbI₃、MAPbBr₃和MAPbCl₃的带隙分别为1.6 eV、2.04 eV和2.4 eV。利用态密度、Tauc分析和吸收边等多种参数，这些计算结果与实验数据吻合良好。光伏(PV)评估已详细开展，并证实MAPbI₃在太阳能应用中极具前景。它具有最高的电子极化率、最佳的可见光吸收和最高的短路电流密度(J_sc)，最终具有最高的理论光伏效率(PCE)。另一方面，MAPbCl₃具有较大的开路电压(V_oc)，但其较宽的带隙限制了其太阳能效率，从而为紫外光电子应用开辟了新途径。在SLME模型的理想化假设下，MAPbI₃在所研究的化合物中表现出最有利的理论光伏性能，计算得到的SLME约为31%。

金属卤化物钙钛矿材料因其强烈的光学吸收、优异的电荷传输特性、低激子结合能和可裁剪的电子结构，在下一代光电子和光伏器件中显示出巨大潜力。其中，有机-无机杂化钙钛矿MAPbX₃ (X = I, Br, Cl) 具有由[PbX₆]^4?八面体角共享构成的骨架，有机CH₃NH₃⁺阳离子位于间隙位置。通过改变卤素组分可以连续调控带隙和光吸收范围，因此卤化物取代被认为是调节此类材料光电性能的有效手段。然而，铅基卤化物钙钛矿在实际应用中面临环境不稳定性、离子迁移和铅毒性等挑战。尽管存在这些问题，MAPbX₃仍是理解卤素组成与光电性质之间基本关系的理想模型体系。为了系统揭示卤化物取代对结构、电子、光学和光伏性能的影响规律，研究人员利用第一性原理计算对MAPbI₃、MAPbBr₃和MAPbCl₃进行了全面研究。该研究发表于《Results in Engineering》。

研究人员基于密度泛函理论(DFT)的维也纳从头算模拟包(VASP)，采用广义梯度近似(GGA-PBE)交换关联泛函，对三种正交相钙钛矿进行了结构优化、电子能带、态密度、光学性质和光伏性能计算。研究结果表明，带隙随卤素离子半径减小而增大，从MAPbI₃的1.60 eV增加到MAPbBr₃的2.04 eV和MAPbCl₃的2.40 eV。MAPbI₃在可见光区具有最强的吸收和最高的理论光伏效率，SLME约为31%，是所研究材料中最有前景的太阳能电池吸收层。该研究为通过卤化物工程优化钙