钙钛矿太阳能电池由于具有制备工艺简单、成本低廉、种类丰富等优点已经被世界各国的科研工作者广泛关注,其光电转换效率(PCE)已经在几年时间内从3.8%迅速提升到27%,光电转换性能已经超过了染料敏化太阳能电池和其他薄膜太阳能电池。甲基胺碘化铅(CH3NH3PbI3)作为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的核心材料,具有合适的带隙、光吸收系数高、载流子寿命长等优势,其可以吸收光子产生电子-空穴对进而实现光电转化。但由于材料中Pb的毒性以及电池的稳定性等问题仍没有彻底解决,因此限制了该类材料的大规模生产和商业化。考虑到使用有毒卤化铅钙钛矿的影响,近几年有大量研究证明在钙钛矿CH3NH3PbI3中进行掺杂可以有效地减少铅的毒性并提高电池的光伏性能。因此,在不损害人类健康和环境的前提下,研究少铅或无铅的钙钛矿材料对提高太阳能电池的稳定性及光电转换效率有重要意义。本文采用第一性原理的计算方法,选取不同的金属原子对钙钛矿CH3NH3PbI3中的铅原子进行部分取代,分别探究并详细分析了在钙钛矿立方相、四方相、正交相中掺杂金属元素对材料晶格常数、电子性质、光学性质和激子解离等的影响。本论文的主要工作有:(1)采用密度泛函理论计算方法(DFT),运用 CASTEP计算软件模拟分析了在Ag浓度为12.5%时,Ag置换Pb对CH3NH3PbI3钙钛矿立方相、四方相和正交相的电子结构及电荷输运性质的影响。键长和键角的数据证明引入Ag杂质导致AgI6八面体更明显的变形;电子结构计算结果表明Ag掺杂使费米能级向高能量移动,带隙增加约为0.1eV。Ag-5s轨道对导带微弱的贡献以及Ag-4d轨道更深的能级导致带隙中未产生新的杂质态;通过Ag掺杂而增加的电子和空穴的有效质量导致载流子迁移率降低和电荷传输的不平衡特性,并且使激子解离更加困难。这项工作为研究较高浓度Ag掺杂对钙钛矿CH3NH3PbI3材料的电子结构、电荷输运性质以及光伏性能的影响提供了理论视角。(2)由于有机-无机杂化卤化铅钙钛矿中Pb的毒性与稳定性的问题还需进一步改善与提升。因此使用四种碱土金属原子(Mg,Ca,Sr,Ba)来分别取代CH3NH3PbI3钙钛矿立方相和四方相超胞中的一个Pb原子,掺杂浓度均为12.5%。使用VASP软件包,分别应用PBE泛函与HSE06杂化泛函对掺杂碱土金属的钙钛矿结构的几何性质、电子结构、光学性质和有效质量等进行模拟计算,并与未掺杂的CH3NH3PbI3钙钛矿进行对比分析。几何结构的数据结果表明掺杂碱土金属后,与纯相CH3NH3PbI3相比Mg掺杂会导致钙钛矿的体积减小,而Ca,Sr和Ba的掺杂会使CH3NH3PbI3的体积明显增加;电子结构表明引入Mg,Ca,Sr,Ba四种杂质后立方相和四方相钙钛矿的带隙值均比纯相增加约为0.2eV,并且费米能级均向低能量移动;光吸收谱图表明掺杂碱土金属后的立方相钙钛矿在400～440nm波长范围内与四方相钙钛矿在360～400nm波长范围内均表现出比纯相更好的光吸收性能;引入Mg,Ca,Sr,Ba碱土金属杂质后的有效质量与原型CH3NH3PbI3钙钛矿相比有所增加,这会使激子结合能增加从而导致激子解离更困难。这些结果为深入探究碱土金属掺杂在钙钛矿CH3NH3PbI3中的电子特性和光学性质提供了理论见解。