无铅卤化物双钙钛矿性能调控的理论研究

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无铅卤化物双钙钛矿(LHDPs)的发现为寻找空气稳定型和环境友好型的太阳能电池光吸收材料提供了一条有效途径。但是其太阳能电池的性能远低于有机无机杂化钙钛矿太阳能电池。应变工程和压力调控是两种调控材料性能的常用方法,细致分析应变和压力下钙钛矿的基本物理特性对于调控LHDPs太阳能电池性能有着重要意义。本论文主要针对Cs2AgInX6(X=Cl,Br,I)和Cs2AgBiX6(X=Cl,Br,I)这六种双钙钛矿,采用了基于密度泛函理论的第一性原理以及VASP软件,研究了应变和压力对其光电性能、输运性能、机械性能及热学性能的调控。1.首先,对比了压力对 Cs2AgInX6(X=Cl,Br,I)和 Cs2AgBiX6(X=Cl,Br,I)结构及光电性能的影响。分析表明,尽管Cs2AgB"X6(B"=In,Bi;X=Cl,Br,I)拥有相似的立方结构,Cs2AgInX6和Cs2AgBiX6的化学键长度和强度有一定差异,这会对其光电性能造成一定影响。随着压力的增加,Cs2AgB"X6的结构稳定性有所增强,且均未发生相变。此外,随着压力的增加,Cs2AgInX6的带隙先减小后增大,而Cs2AgBiX6的带隙则单调减小。2.其次,研究了 Cs2AgB"X6(B=In,Bi;X=Cl,Br,I)在不同压力下的的弹性力学性质和热学性质。发现不管在多大的压力下,Cs2AgInX6的弹性常数都低于Cs2AgBiX6的弹性常数,然而在高压下剪切模量G和体模量B则观察到相反的特性。与Cs2AgBiX6相比,Cs2AgBiC16可能更适合应用于柔性器件,因为其具有更高的剪切模量和体积模量,同时它们也具有更好的各向异性。此外,Cs2AgInX6(X=Cl,Br,I)和 Cs2AgBiX6(X=Cl,Br,I)的最低热导率kmin分别为 0.41,0.3,0.25 和 0.37,0.29,0.23 W.m-1·K-1,它们会随着压力的增大而线性增大,并超过那些含铅卤化物钙钛矿的热导率。所有Cs2AgB"X6(B"=In,Bi;X=Cl,Br,I)都有相同的饱和比热容3NkB=249.3 J-mol-1·K-1。热容与热膨胀系数随着温度的变化均是先急剧增大后达到饱和值,但Cs2AgB"X6(B"=In,Bi;X=Cl,Br,I)热膨胀系数的饱和值并不相同。3.最后,探究了 Cs2AgInX6(X=Cl,Br)在单轴应变下的光电性质及输运性质。发现Cs2AgInCl6和Cs2AgInBr6的带隙分别为0.65和0.58 eV,并且Cs2AgInCl6的带隙随应变的变化幅度可忽略不计,这远远小于Cs2AgInBr6带隙随应变的变化幅度。由于Ag-dz2,dx2-y2和In-dz2,dx2-y2原子轨道对能带边缘的轨道贡献不同,导致在4%压应变时Cs2AgInBr6由直接带隙转变为间接带隙。此外,Cs2AgInCl6的电子有效质量和电子迁移率分别为0.27 m0和976.79 cm2·V-1·s-1,均略低于Cs2AgInBr6的(0.39 m0和997.06 Cm2·V-1·S-1),并且Cs2AgInCl6的迁移率随着应变(压缩和拉伸)的增加而减小,而Cs2AgInBr6的迁移率分别随着压缩和拉伸应变的的增大而增大和减小。另外,Cs2AgInX6(X=Cl,Br)的吸收系数随应变的衰减可忽略不计。
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