盘面DFT模拟若何正在钙钛矿顶刊中小大展宏图 – 质料牛

一、盘面DFT简介

稀度泛函实际(Density functional theory)，何正缩写为DFT。钙钛它是矿顶刊中一种钻研多电子系统的电子挨算是一种量子力教格式。稀度泛函实际正在物理战化教中有着普遍的展宏操做，特意是图质正在份子战凝聚态性量的钻研中。它是料牛凝聚态物理、合计质料科教战合计化教规模最每一每一操做的盘面格式之一。典型的何正电子挨算实际DFT格式，如hartree-fock战hartree-fock格式，钙钛皆是矿顶刊中基于重大的多电子波函数。稀度泛函实际的展宏尾要目的是用电子稀度做为根基量去替换波函数。由于多电子波函数有3N个变量(N是图质电子的数目，每一个电子收罗3个空间变量)，料牛而电子稀度只是盘面3个变量的函数，因此正在见识上战真践操做上皆更利便。

DFT的质料科教合计与仿真格式不但可能钻研现有质料，而且可能对于新质料妨碍展看。DFT合计是一门交织教科，每一每一将合计战质料教科的魔难魔难散漫正在一起，相互抵偿。可能钻研质料的挨算，挨算参数(键少、键角、晶格参数、簿本位置)，晃动的构象,概况能量、概况吸附能、概况能、概况重修、缺陷战其余挨算,质料/能源/化教及其相闭的教科的份子能源教模拟。¹

本文便以钙钛矿为例，申明DFT合计正在钙钛矿规模的操做。

二、DFT正在钙钛矿中有机阳离子疏水性的操做 

华衰顿小大教的Alex K.-Y. Jen教授²经由历程比力不开替换基的有机距离阳离子，从而商讨替换基对于钙钛矿功能的影响。以PEA、F-PEA、战MeO-PEA为例，对于quais-2D钙钛矿的光电性量战晃动性妨碍了钻研。

做者经由历程操做Gri妹妹e的稀度泛函实际(DFT)-D3格式对于范德华力妨碍校对于，经由历程合计范德华相互熏染感动收现，MeO-PEAI战F- PEAI隐现出空间效挑战电子对于水的倾轧力较为赫然，当水接远钙钛矿概况时，正在约束能直线上隐现一个山谷。此时水份子依然远离钙钛矿，假如水份子念要更接远钙钛矿，相互熏染感动便会锐敏变患上倾轧。可能看到MeO-PEA钙钛矿将展现出猛烈的倾轧，纵然水依然是至关远的距离。那可能约莫实用天停止水的渗透进进钙钛矿挨算，因此以MeO-PEAI战F- PEAI有机阳离子为距离的钙钛矿展现出更好的晃动性。其中以F- PEAI基准2D钙钛矿(n = 5)太阳能电池展现出最佳的PCE可达14.5%。而且可能约莫正在干度40-50%，贯勾通接90%的本初PCE，以是从魔难魔难战合计模拟同时展现出MeO-PEAI战F- PEAI有机阳离子为距离的钙钛矿展现出更好的晃动性。

图1:水与不开有机阳离子2D钙钛矿的约束能直线。²

三、DFT正在钙钛矿散漫解离能中的操做

上海科技小大教的宁志军教授将1,4-两氨甲基苯(BAB)战苯乙胺(PEA)引进三维钙钛矿FAPbI₃中，期待斥天下晃动战下效的钙钛矿收光南北极管。³经由历程劣化比力那两种不开的有机距离阳离子的露量，取安妥BAB露量25%时，最小大EQE吸应可能抵达5.2%。

做者回支稀度泛函实际(DFT模拟)合计了准两维(2D) Dion-Jacobson (DJ) 以1,4-单(氨基甲基)苯(BAB) 为桥联份子的钙钛矿战以RP挨算的苯基乙胺(PEA)为桥联份子的钙钛矿。模拟下场收现D]挨算的层间散漫能战份子的解离能远远下于RP挨算。做者跟踪了配置装备部署的晃动性，收现T50寿命可达100小时，比RP挨算的PEA逾越逾越两个数目级。而且连绝操做100小时后薄膜的波少出有赫然的修正。象征着DJ挨算的钙钛矿有更下的散漫能战解离能，也对于应着更下的晃动性。

图2：钙钛矿的DFT模拟³

(A) BAB - FAPbI₃战PEA - FAPbI₃的挨算示诡计，有机阳离子的解离战范德华力之间的关连。(B)合计PbI₆-BAB、PbI₆-PEA与FAPbI₃之间的散漫能。(C) 合计PbI₆-BAB、PbI₆-PEA与FAPbI₃之间的解离能。

四、DFT正在合计钙钛矿组成能中的操做

北卡罗去纳小大教Wei You教授设念了三种不开F替换位置的苯乙胺⁴，经由历程对于器件光伏性量的商讨，证明了单氟化不开位置的PEA正在芳喷香香基的可能赫然影响那些2D的光伏器件效力。3-氟苯乙胺(mF1PEA)或者4-氟苯乙胺(pF1PEA)做为距离有机阳离子时，效力均小大于10%，而2-氟苯乙胺(oF1PEA) 做为距离有机阳离子时，效力则不敷1%。

为了商讨不开有机阳离子正在钙钛矿组成历程中的组成能好异，做者散漫稀度泛函实际(DFT)的合计，收现的组成能的好异与化开物的摆列修正有很好的关连，4-氟苯乙胺(pF1PEA)具备更有小的组成能战更少的晶体无序，2-氟苯乙胺(oF1PEA)具备较小大的组成能战更多的晶体无序，以是较少的组成能有利于晶体的有序睁开，更有利于后退器件功能。

图3：DFT合计出的苯乙胺、3-氟苯乙胺、4-氟苯乙胺、2-氟苯乙胺的组成能⁴

五、DFT正在钙钛矿构象模拟中的操做

北京小大教的周悲萍教授⁵团队将NaF减进钙钛矿中，商讨钠离子战氟离子对于钙钛矿的影响。为了钻研了钙钛矿中NaF的位置及其对于钙钛矿晃动性的影响，做者操做DFT合计钠离子的相对于能量，合计下场概况钠离子正在钙钛矿的概况上比正在钙钛矿的体相内更晃动，值好为0.2 ~ 0.3 eV；此外经由历程DFT合计氟离子的相对于能量战正在钙钛矿中的位置，收现将氟离子回并到钙钛矿晶格中玄色常易，而且它猛烈偏偏背于呆正在概况。氟离子最有利的位置要末是正在碘化铅的概况上替换碘离子，要末是正在钙钛矿体的体相里。而且，经由历程DFT正在钙钛矿妨碍构象模拟收现，正在FAI概况氟离子的掺学习正了概况战次概况层的部份散漫。事实下场导致氟位面周围的阳离子重新晨背氟离子，从而使它们与氟离子的相互熏染感动最小大化。

图4：Na、F离子的位置及其对于FAI空地化教键强度战组成能的影响⁵

六、DFT实际合计钻研了钙钛矿中缺陷功能

中国科教院的下鹏钻研员课题组与天津小大修养工教院张宝传授课题组开做钻研了操做露氟芳喷香香阳离子处置3D钙钛矿概况，尾要钻研露氟芳喷香香阳离子对于配置装备部署功能战晃动性的影响⁶，相闭工做宣告正在Adv. Energy Mater上。与脂肪族氨基阳离子(如丁铵)比照，基于芳族氨基阳离子(苯基乙基铵)的2D钙钛矿具备较低的激子散漫能战较下的介电常数，那有利于其正在太阳能电池中的操做。同样艰深感应，将疏水性小大体积有机铵阳离子引进三维钙钛矿中，可能使沿三维标的目的连绝延少的碘化铅八里体框架被断开，组成两维或者准两维钙钛矿挨算。那些低维钙钛矿具备较下的组成能，组成其挨算的小大量疏水有机铵可能抵抗水份子的侵蚀，从而后退了配置装备部署的总体晃动性。

为了找到晃动性好异眼前的原因，做者基于缺陷模子妨碍了DFT合计，评估了三种钙钛矿晶体的仄板概况能量，如下图所示。做者合计了三阳离子异化三维钙钛矿、PEA₂PbI₄战FPEA₂PbI₄的仄板模子((100)的概况能。下场批注，概况能最低的FPEA₂PbI₄是三种钙钛矿中最晃动的一种，与FPEA₂PbI₄比照，PEA₂PbI₄的仄板概况能略下。同时，两维钙钛矿比三维钙钛矿晃动良多。那一下场与与魔难魔难不雅审核到的晃动趋向相不同。下场借批注，当体积较小大的阳离子与三维钙钛矿概况干戈时，其概况能自觉降降钙钛矿正在能源教上是有利的。因此，将其群散正在三维钙钛矿概况有利于增强晃动性。

图5：不开阳离子对于仄板概况能的影响及挨算⁶

a)组成钙钛矿的三种不开铵盐的示诡计; b)沿b轴的FPEA₂PbI₄; c)仄板概况能以能级的模式展现。从左至左，仄板模子分说为3D CsMAFA钙钛矿、PEA₂PbI₄、FPEA₂PbI₄。

七、参考文献

1. baidu百科

2. Fu, W.; Liu, H.; Shi, X.; Zuo, L.; Li, X.; Jen, A. K. Y., Tailoring the Functionality of Organic Spacer Cations for Efficient and Stable Quasi‐2D Perovskite Solar Cells. Advanced Functional Materials 2019, 29 (25), 1900221.

3. Shang, Y.; Liao, Y.; Wei1, Q.; Wang, Z.; Xiang, B.; Ke, Y.; Liu, W.; Ning, Z., Highly stable hybrid perovskite light-emitting diodes based on Dion-Jacobson structure. 2019.

4. Hu, J.; Oswald, I. W. H.; Stuard, S. J.; Nahid, M. M.; Zhou, N.; Williams, O. F.; Guo, Z.; Yan, L.; Hu, H.; Chen, Z.; Xiao, X.; Lin, Y.; Yang, Z.; Huang, J.; Moran, A. M.; Ade, H.; Neilson, J. R.; You, W., Synthetic control over orientational degeneracy of spacer cations enhances solar cell efficiency in two-dimensional perovskites. Nature Co妹妹unications 2019, 10 (1).

5. Li, N.; Qiu, Z.; LiY, L.; Liu, u.; Zhou, H., Cation and anion i妹妹obilization through chemical bonding enhancement with fluorides for stable halide perovskite solar cells. 2019.

6. Zhou, Q.; Liang, L.; Hu, J.; Cao, B.; Yang, L.; Wu, T.; Li, X.; Zhang, B.; Gao, P., High‐Performance Perovskite Solar Cells with Enhanced Environmental Stability ased on a (p-FC₆H₄C₂H₄NH₃)2[PbI₄] Capping Layer. Advanced Energy Materials 2019, 9 (12), 1802595.

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