一种设计有机金属表面电池材料的方法
【专利摘要】本发明公开了一种设计有机金属表面电池材料的方法，使用Material Studio建模软件建立有机金属太阳能电池表面材料的模型，利用Vasp软件计算表面材料的电子结构性质和光学性质，并利用绘图工具origin软件，结合输出文件DOSCAR,EIGENVAL和OUTCAR作出面材料的电子态密度、能带结构、吸收光谱等图形，理清表面材料的内部光电转换机理，分析确定其光学特性的特点，从而设计出高效率的有机金属太阳能电池表面材料。本发明通过计算有机金属太阳能电池内部光电转换机理以及光学特性，从而设计高效率太阳能电池表面材料的方法，为电池的生产设计提供了理论方法，有效地缩短了研发周期和成本。
【专利说明】
-种设计有机金属表面电池材料的方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种设计有机金属表面电池材料的方法，属于太阳能电池技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，科学家们在最新研究中发现一种巧铁矿型结构的有机太阳能电池的转化 效率或可高达50%，为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍，能大幅降低太阳能电池的使 用成本。相关研究发表在最新一期的《自然》杂志上。目前最热口的研究领域是巧铁矿型甲 胺铅舰薄膜太阳能电池，从2009年到2014年的5年间，光电转换效率便从3.8 %跃升至 19.3%，提高了 5倍。运种有机金属太阳能电池的转换效率进步如此之大，而且比传统的娃 电池更便宜、更易生产，《科学》期刊把它评为2013年的10大科学突破之一。
[0003] 太阳能电池又称为"太阳能忍片"或"光电池"，是一种利用太阳光直接发电的光电 半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。太阳能电 池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。W光电效应工作的薄膜 式太阳能电池为主流，在物理学上称为太阳能光伏(缩写为PV)，简称光伏；因此可W有效吸 收太阳能，并将其转化成电能的半导体部件。用半导体材料将太阳的光能变成电能的器件， 具有可靠性高，寿命长，转换效率高等优点，可做人造卫星、航标灯、晶体管收音机等的电源 等。
[0004] C也N也Snl3太阳能电池不仅转换效率有明显优势，制作工艺也相对简单。实验室中 常采用液相沉积、气相沉积工艺，W及液相/气相混合沉积工艺制作。因此，更便宜、更容易 审雌的OfeNHsSn13太阳能电池，很有可能改变整个太阳能电池的格局。今后，它的发电成本 甚至有可能会比火力发电还低。
[0005] 2012年8月，韩国成均馆大学与洛桑理工学院实验室将一种固态的空穴传输材料 引入太阳能电池，使电池效率一下提高到了 10%，而且也解决了电池不稳定的问题，新型的 C也畑3Snl3太阳能电池比W前用液体电解液时更容易封装了。在层出不穷的C也畑3Snl3太阳 能电池相关研究中，科学家还发现，C也NH3Snl3不仅吸光性好，也是不错的电荷运输材料。他 们不断对材料和结构进行改善，W提高电池的光电转换率。
[0006] 由于C也N也Snl3太阳能电池材料结构复杂，含有五种组元，且原子数目众多，实验 的手段难W解释材料的内部的光电转换机理，也无法对不同面材料的光学性质的优劣给出 预测，许多C也NH3Snl3电池表面材料的问题仍未解决。使用密度泛函理论计算预测材料的电 子结构性质和光学性质，可W有效地预测太阳能电池材料的光学性能，并解释其内部转换 机理，更快的认识了解新材料，设计出性能优越的材料，为C也NH3Snl3太阳能电池的研发和 设计提供理论指导，有效地缩短研发周期。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种设计有机金属表面电池材料的方法，使用Material Studio软件建立不同的切面有机金属电池模型后，运用VASP软件计算其性质，结合电子跃 迁理论和介电理论，比较不同切面材料的光学性能，从而设计出最佳的有机金属表面电池 材料，为实验和生产提供理论指导。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0009] -种设计有机金属表面电池材料的方法，包括W下步骤：
[0010] (1)模型建立；
[00川使用Material Studio中的建模板块对有机金属太阳能电池材料C曲畑3Snl3进行 建模，空间群取为108,按元素原子个数百分比：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，检验对称性;接着选择体系不同的晶面进行切面;最后使用 VESTA软件将模型转变为化SP的输入文件POSCAR;
[0012] (2)计算性质：
[0013] 使用化SP软件计算步骤(1)的得到的模型的表面材料的电子结构和光学性质；
[0014] (3)结果分析：
[001引 a.利用输出文件OSZICAR中的能量数据和MS软件，分析比较材料的稳定性，W及表 面断裂的键合情况；
[0016] b.利用输出文件DOSCAR，EIGENVAL和OUTCAR绘制各个面材料的电子态密度、本征 值图和介电函数，剖析电池材料的光电转换机理；
[0017] C.利用材料的吸收光谱，比较分析材料各个面的吸收光线特性，设计出有机金属 太阳能电池材料最佳的表面，从而指导实验设计，制备吸光能力最佳的面材料，缩短材料的 研发周期。
[001引步骤（1)中，将I原子位置分为两种，依次是（0.0，0.0,0.754) ,(0.712,0.212， 0.506)，而Sn原子位置为(0.5,0.5,0.5)，C原子位置为(0,0.5,0.785)，N原子位置为(0， 0.5，0.674); H原子的建模方法分为两步，第一步使用调试氨键功能加上前20个H，第二步使 用分子建模的方法，添加最后4个氨球。
[0019] 步骤(1)中，切面时真空层厚度为j 2A,每个面取4个原子层的厚度。
[0020] 步骤(2)的具体步骤是：
[0021] a.在Vasp软件中，设置输入文件，进行表面优化，在输入文件POSCAR中使用 selective dynamics功能将上下表面处的原子设为可移动，而内部原子则固定住，将生成 的新结构文件重命名为POSCAR作为新的结构文件，用作下一步的计算；
[0022] b.利用上一生成的结构文件，进行静态自洽计算，计算完成后，生成电荷密度文件 CHGCAR，用作下一步的性质计算；
[0023] C.利用上一步得到的电荷密度文件CHGCAR，进行表面材料的电子结构和光学性质 计算。
[0024] 步骤(2)中还包括W下步骤:利用基于密度泛函理论的（DFT)的Vasp软件包;计算 中的截断能取值为530eV，离子的能量均收敛在0.0 OOleV W下，K空间网格为4 X 4 X 1。
[002引步骤C中，光学性质的计算中，计算能带时使用的高对称点路径为Z-G-F-Q-Z。
[00%] 步骤（3)中，使用公式
处理介电函数得到吸收光谱，其中 ei、E2为虚部和实部的介电常数。
[0027] 有益效果:本发通过使用第一性原理软件Material Studio、Ves化和化sp，在对有 机金属太阳能电池材料CH3NH3Snl3结构建模的基础上，进行结构优化、电子结构和光学性质 的计算，通过比较不同表面体系材料的稳定性、电子结构性质和光学特征，设计性能优越的 有机金属太阳能电池表面材料。本发明提供了一种通过计算有机金属太阳能电池内部光电 转换机理W及光学特性，从而设计高效率太阳能电池表面材料的方法，为电池的生产设计 提供了理论方法，有效地缩短了研发周期和成本。
【附图说明】
[0028] 图1是有机金属电池体结构模型图；
[0029] 图2是有机金属电池(OlO)表面的结构图；
[0030] 图3是有机金属电池(OlO)表面的态密度图；
[0031 ]图4是有机金属电池(OlO)表面的能带结构图；
[0032] 图5是有机金属电池(OlO)表面的介电函数图
[0033] 图6是有机金属电池(OlO)表面的吸收光谱图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0035] 本发明旨在提供一种设计高效率有机金属太阳能电池表面材料的方法。通过使用 Material Studio建模软件建立有机金属太阳能电池表面材料的模型，利用Vasp软件计算 表面材料的电子结构性质和光学性质，并利用绘图工具origin软件，结合输出文件D0SCAR， EIGENVAL和OUTCAR作出面材料的电子态密度、能带结构、吸收光谱等图形，理清C曲畑3Snl3 表面材料的内部光电转换机理，分析确定其光学特性的特点，从而设计出高效率的有机金 属太阳能电池表面材料。
[0036] 所使用的工具主要是Material Studio,Veata,Vasp,origin软件；最主要的计算 工具是Vasp软件，运是一款基于密度泛函理论的软件包，采用经相对论校正的投影缀加波 (PAW)方法来进行计算，立足于第一性原理，实现从头计算；软件的输入文件包括INCAR， P0SCAR，P0TCAR和KP0INTS，其中INCAR用来控制计算何种性质W及如何计算，POSCAR给出面 材料的具体原子坐标，POTCAR给出每种元素的歴势，KPOINS指明K空间的网格和路径;主要 的输出文件有DOSCAR(电子态密度文件）,EIGENCAL(本征值能带文件），OUTCAR(介电函数输 出文件）；对于输出文件的处理，使用split_dos. Sh小脚本处理分害化OSCAR,使用origin绘 制每种性质的图像。
[0037]材料的分子式为CHsNHsSnIs，空间群号为108，属于正交结构，3D建模后进行切面， 切面取4个原子层厚度，真空层设为12山共96个原子。W (OlO)晶面为例，具体步骤如下：
[0038] 1.进行3D建模
[0039] a.使用Material Studio软件的晶体建模功能，输入空间群号108,添加 Sn, I ,C,N， H原子；
[0040] b.使用cleave功能进行切面，输入晶面(010 )，选择4个原子层厚度，设置真空层为 12A;
[0041] C.将(OlO)表面模型导出为.Cif格式文件，并在Vesta中转换成POSCAR文件。
[0042] 2.计算性质
[0043] a.几何优化阶段使用化sp的selective dynamics功能，在POSCAR文件中内部的原 子坐标后输入F F F，表面处的原子坐标后输入T T F;INCAR中设置ISIF = 2，ENCUT = 530， 采用经相对论校正的投影缀加波（PAW)方法来进行计算，选择PBE形式的广义梯度近似 (GGA)处理了交换关联能;并使用范德华力(DFT-D2)来精确描述C出N出Snl3内部分子间作用 力；
[0044] b.利用上一步新生成的结构文件，做自洽计算，在INCAR中设置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中设置ICHARG = 11进行电子结构的计 算，其中态密度的计算中I SMEAR = 0，LORB口 = 11，而能带的计算中高对称点路径为Z-G-F- Q-Z，介电函数的计算中设置LOPTI CS =. TR肥.
[0046] 3.数据处理和分析
[0047] a.体系成键的处理和分析:使用Vesta显示体系的电荷密度，如图2所示，分析结构 稳定性、成键类型和强弱。
[004引 b.电子结构的处理和分析:运行split_dos. ksh小脚本处理DOSCAR文件，获得总台 密度和分波态密度，如图3,4所示;使用分波态密度结合能带结构的方法，系统的分析表面 材料的电子结构、轨道占据，分析比较作为载流子的电子有效质量，W及禁带宽度的构成方 式是否有利于电子的跃迁，判断该表面材料是否具有合适的电子结构，W用作太阳能电池 材料。
[0049] C.光学性质的处理和分析:在输出结果中打开OUTCAR文件，找到介电函数实部和 虚部数据，拷贝到化igin里作图，获得介电函数图像，如图5所示;在化igin里编辑公式，获 得材料的吸收光谱，如图6所示，通过比较不同表面材料的吸光能力和特性，从而获得最佳 的表面材料，对有机金属材料的研发和设计有着直接的理论指导作用。
[0050] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于:包括以下步骤： (1) 模型建立： 使用Material Studio中的建模板块对有机金属太阳能电池材料CH3NH3SnI3进行建模， 空间群取为108,按元素原子个数百分比：25%的的c、8J3%的N、 50%的H添加原子完成后，检验对称性;接着选择体系不同的晶面进行切面;最后使用VESTA 软件将模型转变为Vasp的输入文件POSCAR; (2) 计算性质： 使用Vasp软件计算步骤(1)的得到的模型的表面材料的电子结构和光学性质； (3) 结果分析： a. 利用输出文件0SZICAR中的能量数据和MS软件，分析比较材料的稳定性，以及表面断 裂的键合情况； b. 利用输出文件DOSCAR，EIGENVAL和OUTCAR绘制各个面材料的电子态密度、本征值图 和介电函数，剖析电池材料的光电转换机理； c. 利用材料的吸收光谱，比较分析材料各个面的吸收光线特性，设计出有机金属太阳 能电池材料最佳的表面，从而指导实验设计，制备吸光能力最佳的面材料，缩短材料的研发 周期。2. 根据权利要求1所述的设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于:步骤(1)中， 将I原子位置分为两种，依次是(〇.〇，〇.〇,〇.754)，（0.712,0.212,0.506)，而Sn原子位置为 (0.5,0.5,0.5)，(：原子位置为(0,0.5,0.785)4原子位置为(0,0.5,0.674) ;!1原子的建模方 法分为两步，第一步使用调试氢键功能加上前20个H，第二步使用分子建模的方法，添加最 后4个氢球。3. 根据权利要求1所述的设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于:步骤(1)中， 切面时真空层厚度为12Λ,每个面取4个原子层的厚度。4. 根据权利要求1所述的设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于：步骤(2)的 具体步骤是： a. 在Vasp软件中，设置输入文件，进行表面优化，在输入文件POSCAR中使用selective dynamics功能将上下表面处的原子设为可移动，而内部原子则固定住，将生成的新结构文 件重命名为POSCAR作为新的结构文件，用作下一步的计算； b. 利用上一生成的结构文件，进行静态自洽计算，计算完成后，生成电荷密度文件 CHGCAR，用作下一步的性质计算； c. 利用上一步得到的电荷密度文件CHGCAR，进行表面材料的电子结构和光学性质计 算。5. 根据权利要求4所述的设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于：步骤(2)中 还包括以下步骤:利用基于密度泛函理论的（DFT)的Vasp软件包;计算中的截断能取值为 530eV，离子的能量均收敛在0.0 OOleV以下，K空间网格为4 X 4 X 1。6. 根据权利要求4所述的设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于:步骤c中，光 学性质的计算中，计算能带时使用的高对称点路径为Z-G-F-Q-Z。7. 根据权利要求1所述的设计有机金属表面电池材料的方法，其特征在于:步骤(3)中， 使用公式J：理介电函数得到吸收光谱，其中ει、ε2为虚部和实部的 介电常数。
【文档编号】G06F17/50GK106021732SQ201610341667
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】叶勇, 何思渊, 王杰, 郑勇, 于金
【申请人】东南大学