钙钛矿太阳能电池发电和酸性电催化水裂解制氢被认为是向清洁可再生能源转型的关键技术,但这两项技术的普及都面临着各自的挑战:钙钛矿太阳能电池稳定性差且含毒性Pb,酸性电催化水裂解阳极端产氧反应所用二氧化铱（Ir O2）催化剂中贵金属Ir含量高,且活性仍不理想。因此,需要进一步理解影响它们各自性能的因素和发展新型技术用替代材料。在众多技术用新材料中,钙钛矿型材料得益于其组成、结构的灵活性和多样性,具有许多内在的新奇物理、化学性质,因而在各类能源技术中都表现出了巨大的潜力,为各类能源技术的发展提供了广阔的发展空间。此外,钙钛矿型材料具有易调控的物理、化学性质为建立材料结构与性能之间的关系提供了一个有利的模型。本论文以钙钛矿型材料为研究模型,利用第一性原理计算方法系统开展了钙钛矿太阳能电池及酸性水裂解电催化剂的性能研究与新材料设计研究。本论文的研究内容如下:1、从原子层面阐明了晶界（Grain Boundary,GB）对水降解MAPb I3（MA:CH3NH3）卤化物钙钛矿的重要影响。目前人们对水降解以MAPb I3为代表的卤化物钙钛矿太阳能电池,特别是GB对水降解钙钛矿的影响,尚不清楚。针对此,我们结合第一性原理计算与爬坡弹性带方法系统研究了水在MAPb I3中的扩散,发现GB区域疏松的原子排布有利于水沿着GB扩散和从GB向MAPb I3体材料内扩散,但水在体材料内的扩散却比较难,这源于水的扩散受到了Pb-I网络的阻碍。我们进一步通过插入能计算,发现水在GB区域比在体材料内热力学上更稳定。以上证明水在热力学和动力学上都倾向于聚集在GB处,这与最近实验报道结果相一致。因此,通过提高MAPb I3结晶度能有效降低水对钙钛矿的降解。该研究工作为实验合成稳定、高效钙钛矿太阳能电池提供了有价值的理论依据与参考。2、率先提出Global Instability Index（GII）作为立方相卤化物和硫化物钙钛矿的晶体学稳定性描述符。我们基于第一性原理总能最小化计算的243个立方相卤化物和硫化物钙钛矿结构计算了GII和传统晶体学稳定性描述符（容忍因子t和八面体因子μ）以及用于评估这些描述符有效性的热力学稳定性参数—分解焓（ΔHD）,发现GII预测立方相卤化物和硫化物钙钛矿晶体学稳定性比传统钙钛矿晶体学稳定性描述符精度更高（GII、t和μ的精度分别为73.6%、55%和39.1%）。进一步,我们利用机器学习模型训练了包括GII、t和μ在内的超过104个结构特征描述符数据用于揭示GII与ΔHD内在的关联。结果表明GII是对分解焓影响最大的晶体学稳定性参数,进一步证实了GII是一个重要的立方相卤化物和硫化物钙钛矿晶体学稳定性描述符。该研究工作为加速发现和设计稳定立方相卤化物和硫化物钙钛矿太阳能电池提供了有价值的理论依据和指导。3、以优异光伏性能为导向,设计了一系列新型无铅反杂化钙钛矿太阳能电池材料。基于第一性原理高通量材料设计方法,我们构建了108个立方相X3FA（X:一价有机阳离子,A:二价金属阴离子）反杂化钙钛矿,并以优异光伏相关性能为筛选条件,筛选出了5个稳定的无铅反杂化钙钛矿太阳能电池材料。该系列钙钛矿的有机阳离子由传统钙钛矿的A位点到X位点的转变有望解决现阶段钙钛矿稳定性差的问题。尤其是DA3FNi具有大于MAPb I3的光吸收强度和理论极限最大效率,因此最有潜力替代当前的含Pb钙钛矿太阳能电池材料。该研究工作为实验合成新型无铅钙钛矿太阳能电池材料提供了新的机遇与平台。4、以理论过电势为电催化产氧活性筛选标准,设计了一系列镧系元素（Ln）包含的6H相Ba3Ln Ir2O9低铱钙钛矿酸性产氧（oxygen evolution reaction,OER）电催化剂,并鉴定了该体系的活性单元,同时建立了该系列钙钛矿的结构—活性间的规律性关系,有助于理论和实验上进一步理解催化剂与性能间的构效关系。该系列钙钛矿中铱含量比Ir O2中铱含量大幅降低了50.11-51.26 wt%,且其活性更佳。我们通过对该系列钙钛矿的理论过电势的计算,鉴定了该系列钙钛矿材料中共面的Ir2O9八面体二聚体为OER活性单元,且其催化活性受到与Ir2O9八面体二聚体共顶点连接的Ln O6八面体的调节。我们通过吸附自由能的计算,发现该系列钙钛矿的催化活性依赖于反应吸附中间体（O*和OH*）间的吸附自由能之差ΔGO-ΔGOH。进一步通过氧p带中心计算,我们发现ΔGO-ΔGOH与氧p带中心之间存在典型的火山曲线的关系。最后,我们鉴定了Ba3La Ir2O9是该系列钙钛矿中活性最优的OER电催化剂,其优异的活性源于其优化的氧p带中心,因此是它们当中最具潜力的OER电催化剂替代材料。该研究工作为实验设计与合成低铱含量的新型酸性OER电催化剂提供了重要的理论储备与方向。