一種設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，使用Material Studio建模軟件建立有機(jī)金屬太陽能電池表面材料的模型，利用Vasp軟件計(jì)算表面材料的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，并利用繪圖工具origin軟件，結(jié)合輸出文件DOSCAR,EIGENVAL和OUTCAR作出面材料的電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、吸收光譜等圖形，理清表面材料的內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換機(jī)理，分析確定其光學(xué)特性的特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出高效率的有機(jī)金屬太陽能電池表面材料。本發(fā)明通過計(jì)算有機(jī)金屬太陽能電池內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換機(jī)理以及光學(xué)特性，從而設(shè)計(jì)高效率太陽能電池表面材料的方法，為電池的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供了理論方法，有效地縮短了研發(fā)周期和成本。
【專利說明】
-種設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，科學(xué)家們在最新研究中發(fā)現(xiàn)一種巧鐵礦型結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池的轉(zhuǎn)化 效率或可高達(dá)50%，為目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使 用成本。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。目前最熱口的研究領(lǐng)域是巧鐵礦型甲 胺鉛艦薄膜太陽能電池，從2009年到2014年的5年間，光電轉(zhuǎn)換效率便從3.8 %躍升至 19.3%，提高了 5倍。運(yùn)種有機(jī)金屬太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)步如此之大，而且比傳統(tǒng)的娃 電池更便宜、更易生產(chǎn)，《科學(xué)》期刊把它評(píng)為2013年的10大科學(xué)突破之一。
[0003] 太陽能電池又稱為"太陽能忍片"或"光電池"，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電 半導(dǎo)體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。太陽能電 池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。W光電效應(yīng)工作的薄膜 式太陽能電池為主流，在物理學(xué)上稱為太陽能光伏(縮寫為PV)，簡稱光伏；因此可W有效吸 收太陽能，并將其轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體部件。用半導(dǎo)體材料將太陽的光能變成電能的器件， 具有可靠性高，壽命長，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，可做人造衛(wèi)星、航標(biāo)燈、晶體管收音機(jī)等的電源 等。
[0004] C也N也Snl3太陽能電池不僅轉(zhuǎn)換效率有明顯優(yōu)勢，制作工藝也相對(duì)簡單。實(shí)驗(yàn)室中 常采用液相沉積、氣相沉積工藝，W及液相/氣相混合沉積工藝制作。因此，更便宜、更容易 審雌的OfeNHsSn13太陽能電池，很有可能改變整個(gè)太陽能電池的格局。今后，它的發(fā)電成本 甚至有可能會(huì)比火力發(fā)電還低。
[0005] 2012年8月，韓國成均館大學(xué)與洛桑理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室將一種固態(tài)的空穴傳輸材料 引入太陽能電池，使電池效率一下提高到了 10%，而且也解決了電池不穩(wěn)定的問題，新型的 C也畑3Snl3太陽能電池比W前用液體電解液時(shí)更容易封裝了。在層出不窮的C也畑3Snl3太陽 能電池相關(guān)研究中，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，C也NH3Snl3不僅吸光性好，也是不錯(cuò)的電荷運(yùn)輸材料。他 們不斷對(duì)材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，W提高電池的光電轉(zhuǎn)換率。
[0006] 由于C也N也Snl3太陽能電池材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有五種組元，且原子數(shù)目眾多，實(shí)驗(yàn) 的手段難W解釋材料的內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理，也無法對(duì)不同面材料的光學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣給出 預(yù)測，許多C也NH3Snl3電池表面材料的問題仍未解決。使用密度泛函理論計(jì)算預(yù)測材料的電 子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，可W有效地預(yù)測太陽能電池材料的光學(xué)性能，并解釋其內(nèi)部轉(zhuǎn)換 機(jī)理，更快的認(rèn)識(shí)了解新材料，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的材料，為C也NH3Snl3太陽能電池的研發(fā)和 設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，有效地縮短研發(fā)周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，使用Material Studio軟件建立不同的切面有機(jī)金屬電池模型后，運(yùn)用VASP軟件計(jì)算其性質(zhì)，結(jié)合電子躍 遷理論和介電理論，比較不同切面材料的光學(xué)性能，從而設(shè)計(jì)出最佳的有機(jī)金屬表面電池 材料，為實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0009] -種設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，包括W下步驟：
[0010] (1)模型建立；
[00川使用Material Studio中的建模板塊對(duì)有機(jī)金屬太陽能電池材料C曲畑3Snl3進(jìn)行 建模，空間群取為108,按元素原子個(gè)數(shù)百分比：25%的I、8 J3%的Sn、8.巧％的C、g,33% 的N、50 %的H添加原子完成后，檢驗(yàn)對(duì)稱性;接著選擇體系不同的晶面進(jìn)行切面;最后使用 VESTA軟件將模型轉(zhuǎn)變?yōu)榛疭P的輸入文件POSCAR;
[0012] (2)計(jì)算性質(zhì)：
[0013] 使用化SP軟件計(jì)算步驟(1)的得到的模型的表面材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)；
[0014] (3)結(jié)果分析：
[001引 a.利用輸出文件OSZICAR中的能量數(shù)據(jù)和MS軟件，分析比較材料的穩(wěn)定性，W及表 面斷裂的鍵合情況；
[0016] b.利用輸出文件DOSCAR，EIGENVAL和OUTCAR繪制各個(gè)面材料的電子態(tài)密度、本征 值圖和介電函數(shù)，剖析電池材料的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理；
[0017] C.利用材料的吸收光譜，比較分析材料各個(gè)面的吸收光線特性，設(shè)計(jì)出有機(jī)金屬 太陽能電池材料最佳的表面，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，制備吸光能力最佳的面材料，縮短材料的 研發(fā)周期。
[001引步驟（1)中，將I原子位置分為兩種，依次是（0.0，0.0,0.754) ,(0.712,0.212， 0.506)，而Sn原子位置為(0.5,0.5,0.5)，C原子位置為(0,0.5,0.785)，N原子位置為(0， 0.5，0.674); H原子的建模方法分為兩步，第一步使用調(diào)試氨鍵功能加上前20個(gè)H，第二步使 用分子建模的方法，添加最后4個(gè)氨球。
[0019] 步驟(1)中，切面時(shí)真空層厚度為j 2A,每個(gè)面取4個(gè)原子層的厚度。
[0020] 步驟(2)的具體步驟是：
[0021] a.在Vasp軟件中，設(shè)置輸入文件，進(jìn)行表面優(yōu)化，在輸入文件POSCAR中使用 selective dynamics功能將上下表面處的原子設(shè)為可移動(dòng)，而內(nèi)部原子則固定住，將生成 的新結(jié)構(gòu)文件重命名為POSCAR作為新的結(jié)構(gòu)文件，用作下一步的計(jì)算；
[0022] b.利用上一生成的結(jié)構(gòu)文件，進(jìn)行靜態(tài)自洽計(jì)算，計(jì)算完成后，生成電荷密度文件 CHGCAR，用作下一步的性質(zhì)計(jì)算；
[0023] C.利用上一步得到的電荷密度文件CHGCAR，進(jìn)行表面材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì) 計(jì)算。
[0024] 步驟(2)中還包括W下步驟:利用基于密度泛函理論的（DFT)的Vasp軟件包;計(jì)算 中的截?cái)嗄苋≈禐?30eV，離子的能量均收斂在0.0 OOleV W下，K空間網(wǎng)格為4 X 4 X 1。
[002引步驟C中，光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算中，計(jì)算能帶時(shí)使用的高對(duì)稱點(diǎn)路徑為Z-G-F-Q-Z。
[00%] 步驟（3)中，使用公式
處理介電函數(shù)得到吸收光譜，其中 ei、E2為虛部和實(shí)部的介電常數(shù)。
[0027] 有益效果:本發(fā)通過使用第一性原理軟件Material Studio、Ves化和化sp，在對(duì)有 機(jī)金屬太陽能電池材料CH3NH3Snl3結(jié)構(gòu)建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì) 的計(jì)算，通過比較不同表面體系材料的穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和光學(xué)特征，設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的 有機(jī)金屬太陽能電池表面材料。本發(fā)明提供了一種通過計(jì)算有機(jī)金屬太陽能電池內(nèi)部光電 轉(zhuǎn)換機(jī)理W及光學(xué)特性，從而設(shè)計(jì)高效率太陽能電池表面材料的方法，為電池的生產(chǎn)設(shè)計(jì) 提供了理論方法，有效地縮短了研發(fā)周期和成本。
【附圖說明】
[0028] 圖1是有機(jī)金屬電池體結(jié)構(gòu)模型圖；
[0029] 圖2是有機(jī)金屬電池(OlO)表面的結(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖3是有機(jī)金屬電池(OlO)表面的態(tài)密度圖；
[0031 ]圖4是有機(jī)金屬電池(OlO)表面的能帶結(jié)構(gòu)圖；
[0032] 圖5是有機(jī)金屬電池(OlO)表面的介電函數(shù)圖
[0033] 圖6是有機(jī)金屬電池(OlO)表面的吸收光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0035] 本發(fā)明旨在提供一種設(shè)計(jì)高效率有機(jī)金屬太陽能電池表面材料的方法。通過使用 Material Studio建模軟件建立有機(jī)金屬太陽能電池表面材料的模型，利用Vasp軟件計(jì)算 表面材料的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，并利用繪圖工具origin軟件，結(jié)合輸出文件D0SCAR， EIGENVAL和OUTCAR作出面材料的電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、吸收光譜等圖形，理清C曲畑3Snl3 表面材料的內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換機(jī)理，分析確定其光學(xué)特性的特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出高效率的有機(jī)金 屬太陽能電池表面材料。
[0036] 所使用的工具主要是Material Studio,Veata,Vasp,origin軟件；最主要的計(jì)算 工具是Vasp軟件，運(yùn)是一款基于密度泛函理論的軟件包，采用經(jīng)相對(duì)論校正的投影綴加波 (PAW)方法來進(jìn)行計(jì)算，立足于第一性原理，實(shí)現(xiàn)從頭計(jì)算；軟件的輸入文件包括INCAR， P0SCAR，P0TCAR和KP0INTS，其中INCAR用來控制計(jì)算何種性質(zhì)W及如何計(jì)算，POSCAR給出面 材料的具體原子坐標(biāo)，POTCAR給出每種元素的歴勢，KPOINS指明K空間的網(wǎng)格和路徑;主要 的輸出文件有DOSCAR(電子態(tài)密度文件）,EIGENCAL(本征值能帶文件），OUTCAR(介電函數(shù)輸 出文件）；對(duì)于輸出文件的處理，使用split_dos. Sh小腳本處理分害化OSCAR,使用origin繪 制每種性質(zhì)的圖像。
[0037]材料的分子式為CHsNHsSnIs，空間群號(hào)為108，屬于正交結(jié)構(gòu)，3D建模后進(jìn)行切面， 切面取4個(gè)原子層厚度，真空層設(shè)為12山共96個(gè)原子。W (OlO)晶面為例，具體步驟如下：
[0038] 1.進(jìn)行3D建模
[0039] a.使用Material Studio軟件的晶體建模功能，輸入空間群號(hào)108,添加 Sn, I ,C,N， H原子；
[0040] b.使用cleave功能進(jìn)行切面，輸入晶面(010 )，選擇4個(gè)原子層厚度，設(shè)置真空層為 12A;
[0041] C.將(OlO)表面模型導(dǎo)出為.Cif格式文件，并在Vesta中轉(zhuǎn)換成POSCAR文件。
[0042] 2.計(jì)算性質(zhì)
[0043] a.幾何優(yōu)化階段使用化sp的selective dynamics功能，在POSCAR文件中內(nèi)部的原 子坐標(biāo)后輸入F F F，表面處的原子坐標(biāo)后輸入T T F;INCAR中設(shè)置ISIF = 2，ENCUT = 530， 采用經(jīng)相對(duì)論校正的投影綴加波（PAW)方法來進(jìn)行計(jì)算，選擇PBE形式的廣義梯度近似 (GGA)處理了交換關(guān)聯(lián)能;并使用范德華力(DFT-D2)來精確描述C出N出Snl3內(nèi)部分子間作用 力；
[0044] b.利用上一步新生成的結(jié)構(gòu)文件，做自洽計(jì)算，在INCAR中設(shè)置ISTART = O，ICHARG =2，保存生成的CHGCAR文件；
[0045] C.利用上一步生成的CHGCAR文件，在INCAR中設(shè)置ICHARG = 11進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)的計(jì) 算，其中態(tài)密度的計(jì)算中I SMEAR = 0，LORB口 = 11，而能帶的計(jì)算中高對(duì)稱點(diǎn)路徑為Z-G-F- Q-Z，介電函數(shù)的計(jì)算中設(shè)置LOPTI CS =. TR肥.
[0046] 3.數(shù)據(jù)處理和分析
[0047] a.體系成鍵的處理和分析:使用Vesta顯示體系的電荷密度，如圖2所示，分析結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性、成鍵類型和強(qiáng)弱。
[004引 b.電子結(jié)構(gòu)的處理和分析:運(yùn)行split_dos. ksh小腳本處理DOSCAR文件，獲得總臺(tái) 密度和分波態(tài)密度，如圖3,4所示;使用分波態(tài)密度結(jié)合能帶結(jié)構(gòu)的方法，系統(tǒng)的分析表面 材料的電子結(jié)構(gòu)、軌道占據(jù)，分析比較作為載流子的電子有效質(zhì)量，W及禁帶寬度的構(gòu)成方 式是否有利于電子的躍遷，判斷該表面材料是否具有合適的電子結(jié)構(gòu)，W用作太陽能電池 材料。
[0049] C.光學(xué)性質(zhì)的處理和分析:在輸出結(jié)果中打開OUTCAR文件，找到介電函數(shù)實(shí)部和 虛部數(shù)據(jù)，拷貝到化igin里作圖，獲得介電函數(shù)圖像，如圖5所示;在化igin里編輯公式，獲 得材料的吸收光譜，如圖6所示，通過比較不同表面材料的吸光能力和特性，從而獲得最佳 的表面材料，對(duì)有機(jī)金屬材料的研發(fā)和設(shè)計(jì)有著直接的理論指導(dǎo)作用。
[0050] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和潤飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 模型建立： 使用Material Studio中的建模板塊對(duì)有機(jī)金屬太陽能電池材料CH3NH3SnI3進(jìn)行建模， 空間群取為108,按元素原子個(gè)數(shù)百分比：25%的的c、8J3%的N、 50%的H添加原子完成后，檢驗(yàn)對(duì)稱性;接著選擇體系不同的晶面進(jìn)行切面;最后使用VESTA 軟件將模型轉(zhuǎn)變?yōu)閂asp的輸入文件POSCAR; (2) 計(jì)算性質(zhì)： 使用Vasp軟件計(jì)算步驟(1)的得到的模型的表面材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)； (3) 結(jié)果分析： a. 利用輸出文件0SZICAR中的能量數(shù)據(jù)和MS軟件，分析比較材料的穩(wěn)定性，以及表面斷 裂的鍵合情況； b. 利用輸出文件DOSCAR，EIGENVAL和OUTCAR繪制各個(gè)面材料的電子態(tài)密度、本征值圖 和介電函數(shù)，剖析電池材料的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理； c. 利用材料的吸收光譜，比較分析材料各個(gè)面的吸收光線特性，設(shè)計(jì)出有機(jī)金屬太陽 能電池材料最佳的表面，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，制備吸光能力最佳的面材料，縮短材料的研發(fā) 周期。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，其特征在于:步驟(1)中， 將I原子位置分為兩種，依次是(〇.〇，〇.〇,〇.754)，（0.712,0.212,0.506)，而Sn原子位置為 (0.5,0.5,0.5)，(：原子位置為(0,0.5,0.785)4原子位置為(0,0.5,0.674) ;!1原子的建模方 法分為兩步，第一步使用調(diào)試氫鍵功能加上前20個(gè)H，第二步使用分子建模的方法，添加最 后4個(gè)氫球。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，其特征在于:步驟(1)中， 切面時(shí)真空層厚度為12Λ,每個(gè)面取4個(gè)原子層的厚度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，其特征在于：步驟(2)的 具體步驟是： a. 在Vasp軟件中，設(shè)置輸入文件，進(jìn)行表面優(yōu)化，在輸入文件POSCAR中使用selective dynamics功能將上下表面處的原子設(shè)為可移動(dòng)，而內(nèi)部原子則固定住，將生成的新結(jié)構(gòu)文 件重命名為POSCAR作為新的結(jié)構(gòu)文件，用作下一步的計(jì)算； b. 利用上一生成的結(jié)構(gòu)文件，進(jìn)行靜態(tài)自洽計(jì)算，計(jì)算完成后，生成電荷密度文件 CHGCAR，用作下一步的性質(zhì)計(jì)算； c. 利用上一步得到的電荷密度文件CHGCAR，進(jìn)行表面材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)計(jì) 算。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，其特征在于：步驟(2)中 還包括以下步驟:利用基于密度泛函理論的（DFT)的Vasp軟件包;計(jì)算中的截?cái)嗄苋≈禐?530eV，離子的能量均收斂在0.0 OOleV以下，K空間網(wǎng)格為4 X 4 X 1。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，其特征在于:步驟c中，光 學(xué)性質(zhì)的計(jì)算中，計(jì)算能帶時(shí)使用的高對(duì)稱點(diǎn)路徑為Z-G-F-Q-Z。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計(jì)有機(jī)金屬表面電池材料的方法，其特征在于:步驟(3)中， 使用公式J：理介電函數(shù)得到吸收光譜，其中ει、ε2為虛部和實(shí)部的 介電常數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106021732SQ201610341667
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】葉勇, 何思淵, 王杰, 鄭勇, 于金
【申請人】東南大學(xué)