利用分子模拟研究无机无铅钙钛矿太阳能电池材料CsSnI3

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近年来,一些具有钙钛矿结构的晶体(如CH3NH3PbI3、CsPbI3和CsSnI3等)作为新型太阳能电池材料得到了广泛的关注与研究[1-3]。其中无机钙钛矿太阳能电池材料CsSnI3由于不含铅元素,相较其他含铅钙钛矿材料具有低毒的优点。和CsPbI3类似,CsSnI3在常温常压下具有两个不同的固态相。其中具有钙钛矿结构的晶体呈现黑色,也通常称作黑相(B),而非钙钛矿结构的晶体具有双链结构且呈现出黄色,称作黄相(Y)。其中只有具有钙钛矿结构的黑相具有较好的光伏响应,而黄相CsSnI3不具有光伏响应[2]。通过加温的方法,在温度达到425 K时在CsSnI3中会发生从黄相到黑相的固-固相变。通过降温,黑相的CsSnI3也会发生从立方(B-α)到四方(B-β)到正交(B-γ)的变化[3]。然而具体发生在CsSnI3材料中的相变机理以及如何加强CsSnI3黑相的稳定性仍有待探索。本文利用第一性原理计算以及分子动力学模拟研究了CsSnI3材料的黑黄相的稳定性并针对该材料开发了一原子力场模型。利用第一性原理密度泛函理论计算出CsSnI3具有钙钛矿结构的B-α,B-β,B-γ相以及具有双链结构的Y相的晶体结构、相对能量和Bader电荷。进而利用第一性原理计算的数据和蒙地卡罗退火方法开发出一套CsSnI3经验力场[4]。经验证,新的经验力场可以准确的描述CsSnI3不同相的晶体结构和相对能量。利用分子动力学模拟和新力场模型计算得到发生在CsSnI3中的B-α?B-β和B-β?B-γ的相变的转变温度分别为320和480 K,与实验测量值351和425 K符合较好。利用非平衡热力学积分方法得到黑黄相CsSnI3在不同温度下的吉布斯自由能。新力场模型具有模型简单和运算速度快的特点,且可以准确描述CsSnI3材料的多个固态相及其之间的相变过程。本工作为利用分子模拟方法在原子层面研究CsSnI3材料的物理化学性质打下了基础。
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