钙钛矿电池材料指的是和CaTiO₃有类似化学通式结构的ABX₃的金属卤族元素化合物，其化学比为1:1:3。A位原子是有机基团或无机的阳离子(A=MA , FA 或 Cs , Rb )。B是金属阳离子(B= Pb² , Sn² , Ge² )，X是卤族元素(X=Cl^-, Br^-, I^-)。硅太阳能电池经历了几十年的发展，效率可以达到25%，但新型钙钛矿电池在不到十年的时间效率就已经超过20%，其中，一种基于有机无机杂化构型的钙钛矿 CH₃NH₃PbX₃(X为卤素原子)电池最高效率已经达到了22.1%。因此，此类半导体在太阳能电池器件研究中受广泛关注。自2009年，Kojima等研制出钙钛矿敏化太阳电池，钙钛矿太阳电池获得了突飞猛进的发展。2011年，韩国Park 研究组进一步优化介孔表面和钙钛矿制备工艺，将液态电解质染料敏化太阳电池的效率提高到6.5%。但钙钛矿材料会被液态空穴传输电解液分解，电池在10分钟后便会失效。为解决这一问题，2012年韩国Kim等人将固态空穴传输材料（Spiro-OMeTAD）应用到钙钛矿太阳电池中，制备出全固态钙钛矿太阳电池，电池效率达到9.7%。经过500小时后，电池效率衰减很少。同年12月，Snaith等利用简单、低成本的溶液技术制备介孔Al₂O₃为支撑骨架的金属卤化物钙钛矿太阳电池，效率达10.9%。2013年，Grauml;tzel实验室首次报道采用序列沉积的方法制备钙钛矿薄膜，改进了一步制备法，获得15%的电池效率。9月，Snaith小组采用多源气相蒸发沉积法制备钙钛矿薄膜，制备出一种全新的平面异质结电池，效率达到15.4%。10月Snaith 组和Grauml;tzel组同时报道了传输距离高于1μm钙钛矿吸收层太阳电池，传输距离远长于传统的电池中电子或空穴的扩散距离。至此，全世界迅速掀起了研究钙钛矿太阳电池的热潮。2014年，美国加利福利亚大学Yang 教授基于平板异质结的钙钛矿太阳电池，通过对界面的修饰和改善，将效率提高到19.3%。至2016年，钙钛矿太阳电池的效率取得突破性进展，国际公证效率已达22.1%。钙钛矿太阳能电池自从被发现可以实现光电转换后,就有大量的研究者对钙钛矿这种材料进行研究分析,希望得到该材料的原子坐标,但是由于氢原子本身自己的半径很小,很难检测到,致使研究者在建模时难以添加氢原子,科学家最后发现利用第一性原理去研究钙钛矿太阳能电池具有很大的进展。从2013年起,研究者同开始对CH₃NH₃PbI₃材料进行大量的研究,发现这种材料具有相当好的光学性能,并且有直接带隙宽度,这种材料作为太阳能电池拥有活跃的吸收层,对外呈现各向异性。随后YunM等课题组研究了正交相的钙钛矿在温度及其低的条件下的一些相关性能,利用非局域optB86b vdWDF泛函理论去计算晶体结构性质,并且得出范德瓦尔斯力对该材料的有机和无机部分起着相当大的作用,CH₃和I之间的相互作用是通过它们之间的离子键实现的。2016年Zhao等课题组利用第一性原理计算了三斜相和正交相CH₃NH₃GeCl₃钙钛矿太阳能电池的光伏特性,基于的晶体结构的基础上,研究者建立了CH₃NH₃GeCI₃钙钛矿三斜相和正交相的晶体模型图,并且计算了这两种晶系的载流子有效质量,能带和态密度图,光学吸收谱,最重要的是对该材料进行加压调控和温度变化观察其带隙的变化,光吸收谱出现蓝移还是红移的现象。

钙钛矿太阳电池的发展到现在，它有许多的优点及缺点。缺点就是它的稳定性不足。影响钙钛矿太阳电池稳定性环境条件包括：水氧环境，温度变化，器件加工条件，光照条件等。目前，对钙钛矿太阳电池稳定性的研究还处在初级发展阶段。其次，常用的钙钛矿材料CH₃NH₃PbI₃，因其还有重金属元素Pb，对生态环境的可持续发展不利，于是寻找替代含Pb元素的新型钙钛矿材料具有总要意义。再次，大面积的高效柔性钙钛矿太阳电池的制备受到很大限制。增大面积会使钙钛矿太阳电池的填充因子变小，导致器件的转换效率降低。因此，迄今发表的钙钛矿太阳电池的面积基本都比较小。但是钙钛矿太阳电池也同样有着许多优异特性：

（1）有机/无机钙钛矿材料能同时高效的完成入射光的吸收、光生载流子的激发、运输和分离等过程，是综合性能优良的新型材料；

（2）有机金属卤化物钙钛矿近乎完美的结晶度使其具有优良的载流子运输性质，具有高出传统有机半导体 1--2 个数量级的载流子扩散长度，能够高效的传输空穴和电子；

（3）钙钛矿材料成本低，制备条件温和，可以在低温条件下通过溶液沉积法和旋涂法、气相沉积法及混合方法等工业应用成熟的方法进行制备，制备工艺简单。无机组分的晶体结构和八面体框架，以及强共价键和离子键能提供热稳定性和高迁移率，而有机组分提供了良好的自组装和成膜性能，使杂化钙钛矿材料实现。

我们主要是进行仿真计算的目的是对大量ABX₃型钙钛矿材料结构的掺杂和替换做了初步的筛选，主要针对A位、B位和X位元素的取代选择了以下几个系列进行量子力学模拟：以CH₃NH₃PbI₃结构为基础，对X位上Cl、Br、I元素进行不同比例地掺杂计算，替换有机基团A和B 位金属阳离子，分别研究A、B、X位结构和元素的改变对材料性能的根据密度泛函计算结果，通过禁带宽度、内聚能等参量的计算来选择结构稳定的晶体结构应用于实验研究。

研究内容：从量子力学密度泛函理论出发，通过第一性原理来计算不同钙钛矿的能带结构、态密度等参数。

研究目标：运用软件Materials Studio软件，建立晶体模型，运用第一性原理计算各种参数。

拟采用技术方案：基于密度泛函理论，以CH₃NH₃PbI₃结构为基础，对 X 位上Cl、Br、I卤素进行掺杂计算，A 和B位替换小分子基团和金属阳离子，分别研究A、B、X位结构和元素的改变对材料性能的影响；运用Materials Studio软件通过计算分析将物质的宏观特性与理论计算参数相联系，选择结构稳定、禁带宽度合适的晶体结构用于实验研究。