现代社会的进步离不开电子信息技术的发展,而电子信息技术的发展又离不开半导体材料的发现及应用。半导体材料可以应用于太阳能电池、场效应晶体管、发光二极管等功能器件上,是这些器件的核心部分。对于传统的半导体材料而言,它们的性质已被了解得较为透彻,相关的应用也较为成熟。近年来,硫族和卤族光电半导体材料例如Cu₂ZnSnSe₄和CH₃NH₃PbI₃引发了研究热潮。科研工作者对它们的基本特性有了较为清晰的认识。然而,对于一些结构新颖的硫族和卤族光电半导体材料例如具有低维结构的Bi₂S₃,WSe₂和Cs₄PbBr₆的基本性质及它们在太阳能电池、场效应晶体管,发光二极管上的性能表现,尚缺乏深入的理论研究。基于此,我们就四类新型硫族和卤族光电半导体材料的特性展开了研究。本论文共有7章。第1章介绍了半导体的发展及硫族和卤族光电半导体材料在太阳能电池、场效应晶体管及发光器件方面的应用。第2章简要地介绍了本论文涉及的计算方法,包括密度泛函理论和缺陷计算。缺陷性质是光电半导体非常重要的属性,且本文后续章节多涉及缺陷性质的讨论,因此,在计算方法中给出详细的解释,方便读者理解。第3章和第4章从第一性原理计算的角度研究了两种具有低维结构的新型硫族光电半导体Bi₂S₃和WSe₂的缺陷性质。Bi₂S₃独特的准一维结构对于缺陷性质产生了很大的影响,使其本征缺陷的性质与传统的共价二元半导体的缺陷性质很不相同。Bi₂S₃的本征缺陷主要为施主缺陷,这解释了实验上观察到的本征n型导电的现象。而最主要的本征缺陷多为深能级缺陷,这在很大程度上限制了Bi₂S₃作为光吸收材料和感光材料的应用。除本征缺陷外,我们还研究了一系列掺杂缺陷对Bi₂S₃的影响:发现由于掺杂限制规律的作用,在Bi₂S₃中较难实现良好的p型掺杂,Pb元素是我们研究的掺杂元素中唯一能使Bi₂S₃呈现为弱p型导电的;其他元素掺杂使Bi₂S₃表现为n型导电,其中Cu,Br,Cl元素掺杂既不会引入深能级缺陷又能获得良好的n型导电。因此,Cu,Br,Cl元素掺杂的Bi₂S₃可以做良好的n型电子接收材料和对电极材料。缺陷性质不仅是衡量太阳能电池材料性能的一个重要指标,也是衡量场效应晶体管中半导体材料导电性能的重要指标。WSe₂这种层状过渡金属二硫化物,可以用来制作场效应晶体管。通常,场效应晶体管材料要求有良好的双极性导电。然而实验上报道WSe₂的n型掺杂效果不如p型掺杂效果好。我们从缺陷角度研究了一系列元素掺杂的情况,筛选了合适的p型和n型掺杂元素。WSe₂中本征缺陷的形成能均较高,从而可以获得高浓度的外来元素掺杂。从元素掺杂的计算结果分析,可以看到Nb和Ta掺杂可以获得良好的p型导电;而Re,Ru和Os掺杂使样品呈现出n型导电但掺杂效果不如Nb和Ta。第5章我们转向了另一类热点材料四元双钙钛矿卤化物（Cs₂AgBiBr₆和Cs₂AgBiCl₆）。我们采用不同交换关联势对Cs₂AgBiBr₆和Cs₂AgBiCl₆的热力学稳定性进行了研究,发现从理论上预测它们的热力学稳定性是非常依赖于交换关联势的,并指出了采用optB88-vdW交换关联势来研究双钙钛矿卤化物的热力学稳定性和结构性质是最为合适的。第6章我们对零维金属卤化物钙钛矿包括有机无机杂化零维金属卤化物钙钛矿(C₄N₂H₁₄X)₄SnX₆（X=Br,I）和全无机零维金属卤化物钙钛矿Cs₄PbBr₆的发光机理进行了研究。我们讨论了电子结构的性质,自俘获激子的性质和缺陷俘获激子的性质等。这一系列性质的研究和讨论,对于实验上观察到的(C₄N₂H₁₄X)₄SnX₆（X=Br,I）和Cs₄PbBr₆光物理特性给出了充分、合理的解释。第7章回顾了本论文的主要结论并对新型硫族和卤族光电半导体材料的应用进行了展望。