CN111653325A - 一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，属于属于新材料技术领域。包括以下步骤：S1、利用MS软件构建钙钛矿晶系超胞的缺陷晶体模型，并借助VESTA软件将结构数据文件类型转为.vasp文件格式；S2、对中间产物晶体模型和缺陷晶体模型进行第一性原理计算模拟，S3、以线性规划分析制备中间产物和终产物形成约束条件，在约束条件内量化缺陷晶体形成能，并以缺陷晶体形成能量化缺陷晶体内能级位置；S4、改变约束条件内的变量，分析缺陷晶体的形成能和能级位置的变化，即起到调控钙钛矿材料缺陷的作用。本发明揭示钙钛扩材料内部的自发缺陷和深浅能级的形成规律，可以通过调控得到需要的材料特性。

Description

一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法。
背景技术
钙钛矿作为一种新型材料应用广泛，既可以做太阳能电池的光吸收层材料，也可以应用在发光二极管，半导体激光器和光伏探测器等领域。以钙钛矿材料制备的器件成本低，作为光吸收层材料效率高易于制备、作为发光二极管光谱可调、作为光伏探测器覆盖光谱范围广。然而对于半导体材料，本征缺陷的产生不可避免，且微量的缺陷往往会对半导体器件性能产生巨大的影响。
目前有关钙钛矿材料在光电学和光电子学研究的共同点是，主要是一种基于铅、卤素和小有机分子或大金属阳离子杂化的有机或无机钙钛矿材料，这个家族的典型化合物是甲基铵，仅Liu,M.；Johnston,M.B.等人报道的一种简单的异质结钙钛矿型太阳能电池的光伏效率就达到了15％，最近陆续报道的光伏效率最高达到23％。但是，不管材料用在什么领域采用什么技术，这种钙钛矿材料本身含有Pb元素且易水解的性质都决定了其对环境污染是不可避免的。把Pb元素替换成无毒的Sn元素是一种很有吸引力的解决方案，目前已有相关报道，例如M.H.Kumar,S.Dharani等人提出了一种以CsSnI3为有源层的光伏器件，光伏器件的效率为2％。可以看出和Pb基钙钛矿电池光伏效率有不小的差距，除了制备方法器件结构的原因，这可能是由于对材料内部缺陷不了解造成的。
郑志平，陈桦林等人报道的一种提高溴铯铅电阻率的方法通过掺杂一价阳离子Ag的方法提高了材料的电阻率和载流子迁移寿命使其更好的用在高能射线探测器方面，但是可能使结晶部分区域掺杂不均影响光电性质。因此我们提出了一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，通过调控晶体的自发缺陷行为不需要掺杂就可以得到较好的材料特性。
因此，这种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法对钙钛矿材料用在光伏器件、发光二极管、半导体激光器和光伏探测器等领域都有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述方法所存在的缺点与不足，提出了一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，使用第一性原理计算得出不同制备环境下的缺陷晶体的形成能，并得出缺陷的能级位置，结合两种属性调控出低深能级缺陷晶体的制备环境，得以阐明晶体自发缺陷的形成能和制备晶体过程中元素的化学势间的关系，采用本发明的方法对提高钙钛矿材料的光伏器件、发光二极管、半导体激光器和光伏探测器等器件的性能有一定意义。
本发明的目的提供一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，包括以下步骤：
S1、利用MS软件构建中间产物晶体模型和钙钛矿晶系超胞的缺陷晶体模型，并借助VESTA软件将结构数据文件类型转为.vasp文件格式；
S2、对中间产物晶体模型和缺陷晶体模型进行第一性原理计算模拟，得到各模型原子位置信息和晶格体系自由能；
S3、以线性规划分析制备中间产物和终产物形成约束条件，在约束条件内量化缺陷晶体形成能，并以缺陷晶体形成能量化缺陷晶体内能级位置；
其中，所述约束条件是以中间产物的标准吉布斯能为边界，中间产物中元素的化学势为自变量的线性规划；所述缺陷晶体形成能以形成能公式代入晶格体系自由能和缺陷原子化学势求得，所述缺陷原子化学势为约束条件允许的化学势解；
S4、重复以上步骤，改变约束条件内的变量，分析缺陷晶体的形成能和能级位置的变化，以及缺陷晶体的电学特性，确定最佳的约束条件，即起到调控钙钛矿材料缺陷的作用。
优选的，所述的钙钛矿晶系选用化学式为ABX3的钙钛矿晶系。
优选的，计算所述量化缺陷晶体形成能公式如下：
Figure BDA0002522843330000031
其中，Ef[D]为缺陷D的形成能；
ETOTEN[Dq]为含有电荷为q，缺陷为D的超胞总能；
ETOTEN[perfect]为没有缺陷的完美超胞的总能；
EVBM为修正后的完美超胞价带顶的能量；
Ef为相对于VBM的费米能；
q为点电荷量；
ni表示缺陷i原子数，ni为负值，或表示间隔i原子数，ni为正值；
μi表示缺陷i原子化学势。
更优选的，通过所述形成能公式计算得出的所述量化缺陷晶体形成能，采用弗里索德,诺格堡尔和范德瓦勒(FNC)联合方案修正。
更优选的，所述联合修正，在计算过程中通过对其远离缺陷的静电势和不含缺陷的静电势来修正EVBM。
更优选的，所述量化缺陷晶体内能级位置的方法是以公式带入所述量化缺陷晶体形成能求得所述晶体缺陷模型内的能级位置。
更优选的，计算所述量化缺陷晶体内能级位置公式如下：
Figure BDA0002522843330000032
其中，q1和q2分别是费米能级为0处带不同电荷量的点电荷；
Ef[Dq1]和Ef[Dq2]分别为带电荷q1和q2缺陷D形成能。
优选的，所述晶格体系自由能计算是基于平面波方法密度泛函理论的VASP模拟软件包，其中，在计算的过程中，基于广义梯度近似(GGA)采用PBE交换关联函数描述，选用平面波截止能量400-500eV、力学收敛标准0.005-0.010eV/A°，自洽收敛标准为10-6-10-5eV。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
第一，本发明提供了一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，揭示钙钛扩材料内部的自发缺陷和深浅能级的形成规律，可以通过调控得到需要的材料特性。
第二，由于本发明采用基于泛函密度理论的第一性原理计算，通过输入原子位置和元素赝势等基本信息就可以得到CsSnI3体系的缺陷形成能参数，弥补材料应用过程中对材料基础物理性质了解不足的缺点，可以更好地为现有器件的性能改进提供参考。
第三，由于本发明采用计算的方式，有效利用了现代科技带来的强计算力，减少了由于实验设备和实验材料造成的高昂成本，且过程更易于控制。
附图说明
图1为实施例中制备CsSnI3并避免中间产物形成的约束条件量化图。
图2为图1中B点的富Sn的生长环境下，所有晶体缺陷模型的形成能。
图3为图1中D点的贫Sn的生长环境下，所有晶体缺陷模型的形成能。
图4为实施例中CsSnI3量化的缺陷能级示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提出了一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，使用第一性原理计算得出不同制备环境下的缺陷晶体的形成能，并得出缺陷的能级位置，结合两种属性调控出低深能级缺陷晶体的制备环境，得以阐明晶体自发缺陷的形成能和制备晶体过程中元素的化学势间的关系，确定最佳的约束条件内的变量可以起到调控钙钛矿材料缺陷的作用，进而得到优异传输性能的钙钛矿材料。
实施例
一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，参见图1～4所示，具体包括以下步骤：
步骤1，化学式为ABX3的一种钙钛矿晶系缺陷模型的构建。
ABX3钙钛矿晶系缺陷模型采用CsSnI3的面心立方晶系，共十二种缺陷模型包括：VCs、VSn、VI、Csi、Sni、Ii、CsSn、ICs、ISn、SnI、SnCs、CsI。
使用晶体结构三维化软件Materials Studio进行理想晶体和缺陷晶体的晶胞构建。
将构建好的三维晶体结构使用VESTA将Materials Studio中导出的.cif文件转换为.vasp文件。
所述的缺陷模型采用最稳定状态模型。
所述的.vasp文件采用倒格矢。
步骤2，模拟缺陷模型晶格体系自由能及ABX3制备过程中间产物的晶格体系自由能。
对于晶体缺陷模型和CsSnI3中间产物的模型进行第一性原理计算得到各个模型原子位置信息和晶格体系自由能。
所述的晶格体系自由能计算以.VASP结构文件和其他输入文件为依据进行计算，部分关键参数如：广义梯度近似(GGA)采用PBE交换关联函数、截断能400eV、力学收敛标准0.01eV/A°，自恰场收敛标准10-5eV，VASP软件包产生输出文件中的OUTCAR读出晶格体系自由能。
以CsSnI3为例所述的中间产物采用七种，分别为Cs32Sn32、Cs8Sn46、CsI、Cs4I12、Cs4I16、SnI4、Sn6I12。
步骤3，以线性规划分析制备中间产物和终产物形成约束条件，在约束条件内量化缺陷晶体形成能，并以缺陷晶体形成能量化缺陷晶体内能级位置；
其中，约束条件是以中间产物的标准吉布斯能为边界，中间产物中元素的化学势为自变量的线性规划；缺陷晶体形成能以形成能公式代入晶格体系自由能和缺陷原子化学势求得，缺陷原子化学势为约束条件允许的化学势解；化学势的数值依赖于它们的隐式参考，在第一性原理计算中，化学势可参考T＝0K处元素相的晶格体系自由能。
CsSnI3在热力学平衡条件下制备时，应当满足下列关系式：
ΔμCs+ΔμSn+3ΔμI＝ΔHf(CsSnI3)
其中，Δμ是相对应的元素的化学势，ΔHf为CsSnI3的形成焓。为了在CsSnI3制备过程中避免产生上述的七种的中间产物，则相对应于Cs和Sn元素的化学势应当满足下列关系式：
8ΔμCs+46ΔμSn＜ΔHf(Cs8Sn46)
32ΔμCs+32ΔμSn＜ΔHf(Cs32Sn32)
4ΔμCs+12ΔμI＜ΔHf(Cs4I12)
4ΔμCs+16ΔμSn＜ΔHf(Cs4I16)
ΔμCs+ΔμI＜ΔHf(CsI)
ΔμSn+4ΔμI＜ΔHf(SnI4)
6ΔμSn+12ΔμI＜ΔHf(Sn6 I12)
满足上述关系式的Cs和Sn元素的化学势范围为图1中的ABCD四边形区域，在该区域内制备CsSnI3钙钛扩材料时，保持稳定不生成其他产物的条件，伴随着制备环境的变化，钙钛矿材料内部元素的化学势也会发生改变，相应的四边形内部点位置发生变化。
为此，选取两个具有代表性的Cs和Sn的化学势的值，如图1所示，B点代表富Sn的生长环境时的Cs和Sn的化学势，D点贫Sn的生长环境时的Cs和Sn的化学势，在这两种Cs和Sn的化学势条件下，以公式带入约束内的解求得上述12种晶体缺陷模型的形成能，并采用弗里索德,诺格堡尔和范德瓦勒(FNC)联合方案修正，其在计算过程中通过对其远离缺陷的静电势和不含缺陷的静电势来修正EVBM，也就是前者的静电势减去后者的静电势后和EVBM相加。
所述量化缺陷晶体形成能按照以下以公式计算得出：
Figure BDA0002522843330000071
其中，Ef[D]为缺陷D的形成能；
ETOTEN[Dq]为含有电荷为q，缺陷为D的超胞总能；
ETOTEN[perfect]为没有缺陷的完美超胞的总能；
EVBM为修正后的完美超胞价带顶的能量；
Ef为相对于VBM的费米能；
q为点电荷量；
ni表示缺陷i原子数，ni为负值，或表示间隔i原子数，ni为正值；
μi表示缺陷i原子化学势。
步骤4，以缺陷晶体形成能为根据，量化缺陷晶体能级位置。
所述的量化缺陷晶体内能级位置的方法是以公式带入形成能求得不同晶体缺陷模型内的能级位置。
所述的量化缺陷晶体内能级位置公式为：
Figure BDA0002522843330000072
其中，q1和q2分别是费米能级为0处带不同电荷量的点电荷；
Ef[Dq1]和Ef[Dq2]分别为带电荷q1和q2缺陷D形成能。
步骤5，重复以上步骤，在约束条件内改变变量，分析缺陷晶体的形成能和能级位置的变化，及缺陷晶体中能级的位置影响载流子的迁移率和寿命等电学特性，形成能则决定这种类型的缺陷晶体是否容易形成，进而影响晶体电学特性。寻找约束条件内的解可以起到调控钙钛矿材料缺陷的作用。
对本例的CsSnI3材料，我们可以在图1中的B点生长条件得到不含深能级缺陷的弱N型半导体材料，在B点生长条件得到高载流子浓度的P型半导体材料，或者在其他的生长条件下得到需要的电学性质。以下为分析过程：
可以看出在图1中的ABCD四边形内部为CsSnI3钙钛扩材料保持稳定不生成其他产物的条件，伴随着制备环境的变化，钙钛矿材料内部元素的化学势也会发生改变，相应的四边形内部点即对应于三种元素(Cs，Sn，I)此时在钙钛扩材料内部的化学势，模拟材料极限的生长环境可以对比自缺陷形成能发生的变化，以达到控制不同自缺陷(VCs、VSn、VI、Csi、Sni、Ii、CsSn、ICs、ISn、SnI、SnCs、CsI)形成能的目的。
图2为富Sn的生长环境，对应于图1四边形中的B点；
图3为贫Sn的生长环境，对应于图1四边形中的D点；
从图2～3可以看出相比富Sn的生长环境，贫Sn生长环境下的Sn空位具有更低的形成能。在富Sn生长环境下主要的施主缺陷为I空位，主要的受主缺陷为Sn空位，可以看出费米能级被定扎在导带底附近，表现出弱n型；在贫Sn生长条件下主要的施主缺陷为Cs间隙，主要的受主缺陷为Sn空位和Cs对Sn的替位，可以看出费米能级被定扎在价带顶的右边，因此在这种生长环境下的CsSnI3钙钛矿材料表现出较强的P型特性。
自缺陷会在材料内部产生额外的能级，如图4为CsSnI3自缺陷的能级位置。能级是不随着生长条件的改变而改变的，这些独立于价带顶到导带底的跃迁会导致促进电离的浅能级和引起载流子寿命缩短的深能级。这种特性在利用材料时需要额外关注，通过对生长环境的控制可以改变自缺陷的形成能，当一种缺陷的形成能过高时在材料内部生成的概率就会很小，当一种缺陷的能级不利于我们利用材料时，通过改变生长条件我们可以调控这种缺陷的形成能进而降低这种缺陷能级对材料电学性质的影响。如图4中的Cs对Sn替位为浅能级缺陷，控制生长条件中的Sn含量降低使其形成能逐渐较低，就会更容易形成这种类型的浅能级缺陷增加p型载流子的浓度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用MS软件构建中间产物晶体模型和钙钛矿晶系超胞的缺陷晶体模型，并借助VESTA软件将结构数据文件类型转为.vasp文件格式；
S2、对中间产物晶体模型和缺陷晶体模型进行第一性原理计算模拟，得到各模型原子位置信息和晶格体系自由能；
S3、以线性规划分析制备中间产物和终产物形成约束条件，在约束条件内量化缺陷晶体形成能，并以缺陷晶体形成能量化缺陷晶体内能级位置；
其中，所述约束条件是以中间产物的标准吉布斯能为边界，中间产物中元素的化学势为自变量的线性规划；所述缺陷晶体形成能以形成能公式代入晶格体系自由能和缺陷原子化学势求得，所述缺陷原子化学势为约束条件允许的化学势解；
S4、重复以上步骤，改变约束条件内的变量，分析缺陷晶体的形成能和能级位置的变化，以及缺陷晶体的电学特性，确定最佳的约束条件，即起到调控钙钛矿材料缺陷的作用。
2.根据权利要求1所述的基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，其特征在于，所述的钙钛矿晶系选用化学式为ABX3的钙钛矿晶系。
3.根据权利要求1所述的基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，其特征在于，计算所述量化缺陷晶体形成能公式如下：
Figure FDA0002522843320000011
其中，Ef[D]为缺陷D的形成能；
ETOTEN[Dq]为含有电荷为q，缺陷为D的超胞总能；
ETOTEN[perfect]为没有缺陷的完美超胞的总能；
EVBM为修正后的完美超胞价带顶的能量；
Ef为相对于VBM的费米能；
q为点电荷量；
ni表示缺陷i原子数，ni为负值，或表示间隔i原子数，ni为正值；
μi表示缺陷i原子化学势。
4.根据权利要求3所述的基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，其特征在于，通过所述形成能公式计算得出的所述量化缺陷晶体形成能，采用弗里索德,，诺格堡尔和范德瓦勒(FNC)联合方案修正。
5.根据权利要求4所述的基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，其特征在于，所述联合修正，在计算过程中通过对其远离缺陷的静电势和不含缺陷的静电势来修正EVBM。
6.根据权利要求5所述的基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，其特征在于，所述量化缺陷晶体内能级位置的方法是以公式带入所述量化缺陷晶体形成能求得所述晶体缺陷模型内的能级位置。
7.根据权利要求6所述的基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，其特征在于，计算所述量化缺陷晶体内能级位置公式如下：
Figure FDA0002522843320000021
其中，q1和q2分别是费米能级为0处带不同电荷量的点电荷；
Ef[Dq1]和Ef[Dq2]分别为带电荷q1和q2缺陷D形成能。
8.根据权利要求1所述的基于第一性原理计算调控钙钛矿材料缺陷的方法，其特征在于，所述晶格体系自由能计算是基于平面波方法密度泛函理论的VASP模拟软件包，其中，在计算的过程中，基于广义梯度近似(GGA)采用PBE交换关联函数描述，选用平面波截止能量400-500eV、力学收敛标准0.005-0.010eV/A°，自洽收敛标准为10-6-10-5eV。
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