一種設計有機金屬表面電池材料的方法
【專利摘要】本發明公開了一種設計有機金屬表面電池材料的方法，使用Material Studio建模軟件建立有機金屬太陽能電池表面材料的模型，利用Vasp軟件計算表面材料的電子結構性質和光學性質，并利用繪圖工具origin軟件，結合輸出文件DOSCAR,EIGENVAL和OUTCAR作出面材料的電子態密度、能帶結構、吸收光譜等圖形，理清表面材料的內部光電轉換機理，分析確定其光學特性的特點，從而設計出高效率的有機金屬太陽能電池表面材料。本發明通過計算有機金屬太陽能電池內部光電轉換機理以及光學特性，從而設計高效率太陽能電池表面材料的方法，為電池的生產設計提供了理論方法，有效地縮短了研發周期和成本。
【專利說明】
-種設計有機金屬表面電池材料的方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種設計有機金屬表面電池材料的方法，屬于太陽能電池技術領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，科學家們在最新研究中發現一種巧鐵礦型結構的有機太陽能電池的轉化 效率或可高達50%，為目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使 用成本。相關研究發表在最新一期的《自然》雜志上。目前最熱口的研究領域是巧鐵礦型甲 胺鉛艦薄膜太陽能電池，從2009年到2014年的5年間，光電轉換效率便從3.8 %躍升至 19.3%，提高了 5倍。運種有機金屬太陽能電池的轉換效率進步如此之大，而且比傳統的娃 電池更便宜、更易生產，《科學》期刊把它評為2013年的10大科學突破之一。
[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電的光電 半導體薄片。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生電流。太陽能電 池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。W光電效應工作的薄膜 式太陽能電池為主流，在物理學上稱為太陽能光伏(縮寫為PV)，簡稱光伏；因此可W有效吸 收太陽能，并將其轉化成電能的半導體部件。用半導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，轉換效率高等優點，可做人造衛星、航標燈、晶體管收音機等的電源 等。
[0004] C也N也Snl3太陽能電池不僅轉換效率有明顯優勢，制作工藝也相對簡單。實驗室中 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，很有可能改變整個太陽能電池的格局。今后，它的發電成本 甚至有可能會比火力發電還低。
[0005] 2012年8月，韓國成均館大學與洛桑理工學院實驗室將一種固態的空穴傳輸材料 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前用液體電解液時更容易封裝了。在層出不窮的C也畑3Snl3太陽 能電池相關研究中，科學家還發現，C也NH3Snl3不僅吸光性好，也是不錯的電荷運輸材料。他 們不斷對材料和結構進行改善，W提高電池的光電轉換率。
[0006] 由于C也N也Snl3太陽能電池材料結構復雜，含有五種組元，且原子數目眾多，實驗 的手段難W解釋材料的內部的光電轉換機理，也無法對不同面材料的光學性質的優劣給出 預測，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算預測材料的電 子結構性質和光學性質，可W有效地預測太陽能電池材料的光學性能，并解釋其內部轉換 機理，更快的認識了解新材料，設計出性能優越的材料，為C也NH3Snl3太陽能電池的研發和 設計提供理論指導，有效地縮短研發周期。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的是提供一種設計有機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金屬電池模型后，運用VASP軟件計算其性質，結合電子躍 遷理論和介電理論，比較不同切面材料的光學性能，從而設計出最佳的有機金屬表面電池 材料，為實驗和生產提供理論指導。
[0008] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0009] -種設計有機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中的建模板塊對有機金屬太陽能電池材料C曲畑3Snl3進行 建模，空間群取為108,按元素原子個數百分比：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，檢驗對稱性;接著選擇體系不同的晶面進行切面;最后使用 VESTA軟件將模型轉變為化SP的輸入文件POSCAR;
[0012] (2)計算性質：
[0013] 使用化SP軟件計算步驟(1)的得到的模型的表面材料的電子結構和光學性質；
[0014] (3)結果分析：
[001引 a.利用輸出文件OSZICAR中的能量數據和MS軟件，分析比較材料的穩定性，W及表 面斷裂的鍵合情況；
[0016] b.利用輸出文件DOSCAR，EIGENVAL和OUTCAR繪制各個面材料的電子態密度、本征 值圖和介電函數，剖析電池材料的光電轉換機理；
[0017] C.利用材料的吸收光譜，比較分析材料各個面的吸收光線特性，設計出有機金屬 太陽能電池材料最佳的表面，從而指導實驗設計，制備吸光能力最佳的面材料，縮短材料的 研發周期。
[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，第一步使用調試氨鍵功能加上前20個H，第二步使 用分子建模的方法，添加最后4個氨球。
[0019] 步驟(1)中，切面時真空層厚度為j 2A,每個面取4個原子層的厚度。
[0020] 步驟(2)的具體步驟是：
[0021] a.在Vasp軟件中，設置輸入文件，進行表面優化，在輸入文件POSCAR中使用 selective dynamics功能將上下表面處的原子設為可移動，而內部原子則固定住，將生成 的新結構文件重命名為POSCAR作為新的結構文件，用作下一步的計算；
[0022] b.利用上一生成的結構文件，進行靜態自洽計算，計算完成后，生成電荷密度文件 CHGCAR，用作下一步的性質計算；
[0023] C.利用上一步得到的電荷密度文件CHGCAR，進行表面材料的電子結構和光學性質 計算。
[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;計算 中的截斷能取值為530eV，離子的能量均收斂在0.0 OOleV W下，K空間網格為4 X 4 X 1。
[002引步驟C中，光學性質的計算中，計算能帶時使用的高對稱點路徑為Z-G-F-Q-Z。
[00%] 步驟（3)中，使用公式
處理介電函數得到吸收光譜，其中 ei、E2為虛部和實部的介電常數。
[0027] 有益效果:本發通過使用第一性原理軟件Material Studio、Ves化和化sp，在對有 機金屬太陽能電池材料CH3NH3Snl3結構建模的基礎上，進行結構優化、電子結構和光學性質 的計算，通過比較不同表面體系材料的穩定性、電子結構性質和光學特征，設計性能優越的 有機金屬太陽能電池表面材料。本發明提供了一種通過計算有機金屬太陽能電池內部光電 轉換機理W及光學特性，從而設計高效率太陽能電池表面材料的方法，為電池的生產設計 提供了理論方法，有效地縮短了研發周期和成本。
【附圖說明】
[0028] 圖1是有機金屬電池體結構模型圖；
[0029] 圖2是有機金屬電池(OlO)表面的結構圖；
[0030] 圖3是有機金屬電池(OlO)表面的態密度圖；
[0031 ]圖4是有機金屬電池(OlO)表面的能帶結構圖；
[0032] 圖5是有機金屬電池(OlO)表面的介電函數圖
[0033] 圖6是有機金屬電池(OlO)表面的吸收光譜圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0035] 本發明旨在提供一種設計高效率有機金屬太陽能電池表面材料的方法。通過使用 Material Studio建模軟件建立有機金屬太陽能電池表面材料的模型，利用Vasp軟件計算 表面材料的電子結構性質和光學性質，并利用繪圖工具origin軟件，結合輸出文件D0SCAR， EIGENVAL和OUTCAR作出面材料的電子態密度、能帶結構、吸收光譜等圖形，理清C曲畑3Snl3 表面材料的內部光電轉換機理，分析確定其光學特性的特點，從而設計出高效率的有機金 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；最主要的計算 工具是Vasp軟件，運是一款基于密度泛函理論的軟件包，采用經相對論校正的投影綴加波 (PAW)方法來進行計算，立足于第一性原理，實現從頭計算；軟件的輸入文件包括INCAR， P0SCAR，P0TCAR和KP0INTS，其中INCAR用來控制計算何種性質W及如何計算，POSCAR給出面 材料的具體原子坐標，POTCAR給出每種元素的歴勢，KPOINS指明K空間的網格和路徑;主要 的輸出文件有DOSCAR(電子態密度文件）,EIGENCAL(本征值能帶文件），OUTCAR(介電函數輸 出文件）；對于輸出文件的處理，使用split_dos. Sh小腳本處理分害化OSCAR,使用origin繪 制每種性質的圖像。
[0037]材料的分子式為CHsNHsSnIs，空間群號為108，屬于正交結構，3D建模后進行切面， 切面取4個原子層厚度，真空層設為12山共96個原子。W (OlO)晶面為例，具體步驟如下：
[0038] 1.進行3D建模
[0039] a.使用Material Studio軟件的晶體建模功能，輸入空間群號108,添加 Sn, I ,C,N， H原子；
[0040] b.使用cleave功能進行切面，輸入晶面(010 )，選擇4個原子層厚度，設置真空層為 12A;
[0041] C.將(OlO)表面模型導出為.Cif格式文件，并在Vesta中轉換成POSCAR文件。
[0042] 2.計算性質
[0043] a.幾何優化階段使用化sp的selective dynamics功能，在POSCAR文件中內部的原 子坐標后輸入F F F，表面處的原子坐標后輸入T T F;INCAR中設置ISIF = 2，ENCUT = 530， 采用經相對論校正的投影綴加波（PAW)方法來進行計算，選擇PBE形式的廣義梯度近似 (GGA)處理了交換關聯能;并使用范德華力(DFT-D2)來精確描述C出N出Snl3內部分子間作用 力；
[0044] b.利用上一步新生成的結構文件，做自洽計算，在INCAR中設置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中設置ICHARG = 11進行電子結構的計 算，其中態密度的計算中I SMEAR = 0，LORB口 = 11，而能帶的計算中高對稱點路徑為Z-G-F- Q-Z，介電函數的計算中設置LOPTI CS =. TR肥.
[0046] 3.數據處理和分析
[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，分析結構 穩定性、成鍵類型和強弱。
[004引 b.電子結構的處理和分析:運行split_dos. ksh小腳本處理DOSCAR文件，獲得總臺 密度和分波態密度，如圖3,4所示;使用分波態密度結合能帶結構的方法，系統的分析表面 材料的電子結構、軌道占據，分析比較作為載流子的電子有效質量，W及禁帶寬度的構成方 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構，W用作太陽能電池 材料。
[0049] C.光學性質的處理和分析:在輸出結果中打開OUTCAR文件，找到介電函數實部和 虛部數據，拷貝到化igin里作圖，獲得介電函數圖像，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，對有機金屬材料的研發和設計有著直接的理論指導作用。
[0050] W上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種設計有機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中的建模板塊對有機金屬太陽能電池材料CH3NH3SnI3進行建模， 空間群取為108,按元素原子個數百分比：25%的的c、8J3%的N、 50%的H添加原子完成后，檢驗對稱性;接著選擇體系不同的晶面進行切面;最后使用VESTA 軟件將模型轉變為Vasp的輸入文件POSCAR; (2) 計算性質： 使用Vasp軟件計算步驟(1)的得到的模型的表面材料的電子結構和光學性質； (3) 結果分析： a. 利用輸出文件0SZICAR中的能量數據和MS軟件，分析比較材料的穩定性，以及表面斷 裂的鍵合情況； b. 利用輸出文件DOSCAR，EIGENVAL和OUTCAR繪制各個面材料的電子態密度、本征值圖 和介電函數，剖析電池材料的光電轉換機理； c. 利用材料的吸收光譜，比較分析材料各個面的吸收光線特性，設計出有機金屬太陽 能電池材料最佳的表面，從而指導實驗設計，制備吸光能力最佳的面材料，縮短材料的研發 周期。2. 根據權利要求1所述的設計有機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，第一步使用調試氫鍵功能加上前20個H，第二步使用分子建模的方法，添加最 后4個氫球。3. 根據權利要求1所述的設計有機金屬表面電池材料的方法，其特征在于:步驟(1)中， 切面時真空層厚度為12Λ,每個面取4個原子層的厚度。4. 根據權利要求1所述的設計有機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，設置輸入文件，進行表面優化，在輸入文件POSCAR中使用selective dynamics功能將上下表面處的原子設為可移動，而內部原子則固定住，將生成的新結構文 件重命名為POSCAR作為新的結構文件，用作下一步的計算； b. 利用上一生成的結構文件，進行靜態自洽計算，計算完成后，生成電荷密度文件 CHGCAR，用作下一步的性質計算； c. 利用上一步得到的電荷密度文件CHGCAR，進行表面材料的電子結構和光學性質計 算。5. 根據權利要求4所述的設計有機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;計算中的截斷能取值為 530eV，離子的能量均收斂在0.0 OOleV以下，K空間網格為4 X 4 X 1。6. 根據權利要求4所述的設計有機金屬表面電池材料的方法，其特征在于:步驟c中，光 學性質的計算中，計算能帶時使用的高對稱點路徑為Z-G-F-Q-Z。7. 根據權利要求1所述的設計有機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：理介電函數得到吸收光譜，其中ει、ε2為虛部和實部的 介電常數。
【文檔編號】G06F17/50GK106021732SQ201610341667
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】葉勇, 何思淵, 王杰, 鄭勇, 于金
【申請人】東南大學