《从第一性原理到智能设计：卤族钙钛矿材料的探索与实现》

种晓宇 胡明钰 冯晶 何京津

定价：138.00元

出版时间：2026-05

ISBN：978-7-5240-0562-9

内容简介

本书系统梳理了卤族钙钛矿材料从基础理论到应用前沿的发展现状。首先结合第一性原理，阐释结构稳定机理与能带、有效质量的演化，并对掺杂、有机-无机杂化及含锡低带隙钙钛矿体系进行系统比较；其次阐述钙钛矿单晶制备与表征，以及无机含锡钙钛矿在光伏和热电领域的器件结构、工作机理与性能提升方法；最后聚焦前沿技术，包括远程外延生长调控位错密度的新方法，以及机器学习在钙钛矿带隙预测与材料设计中的应用案例。

本书兼顾理论深度与工程应用性，适合从事钙钛矿、能源材料及计算材料科学研究的科研人员与高校师生使用，也可为材料设计与产业化研发提供参考。

目录

1卤族钙钛矿材料概述1

1.1钙钛矿材料的起源及应用1

1.1.1钙钛矿材料的起源1

1.1.2钙钛矿材料的应用1

1.2卤族钙钛矿的热电潜力6

1.2.1卤族钙钛矿的超低热导率6

1.2.2含锡卤族钙钛矿的电导率8

1.3钙钛矿的晶体结构9

1.4卤族钙钛矿材料的性质10

1.5卤族钙钛矿应用面临的挑战11

参考文献12

2第一性原理计算卤族钙钛矿材料18

2.1第一性原理计算方法18

2.1.1Thomas-Fermi-Dirac理论18

2.1.2Hohenberg-Kohn理论19

2.1.3Kohn-Sham方程19

2.1.4交换关联泛函21

2.1.5基函数平面波展开与截断能选取22

2.1.6赝势方法23

2.1.7DFT计算的优点与不足23

2.2电子性质24

2.2.1能带结构24

2.2.2电子态密度26

2.3光电性质27

2.3.1光吸收系数27

2.3.2有效质量27

2.3.3载流子迁移率29

2.3.4激子结合能30

2.3.5光电转换效率31

参考文献32

3第一性原理探究有机-无机杂化钙钛矿的有效质量和光学性质35

3.1CH3NH3CdxPb1-xI3的有效质量和光电性质35

3.1.1CH3NH3CdxPb1-xI3概述35

3.1.2CH3NH3CdxPb1-xI3的能带结构和有效质量36

3.1.3CH3NH3CdxPb1-xI3的光学性质41

3.2CH3NH3Pb1-xMgxI3的有效质量和光电性质42

3.2.1CH3NH3Pb1-xMgxI3概述42

3.2.2计算细节43

3.2.3CH3NH3Pb1-xMgxI3的能带结构、态密度和有效质量43

3.2.4CH3NH3Pb1-xMgxI3的光学性质46

3.3CH3NH3PbX3(X=I,Br)的晶体结构、光学性质与有效质量张量49

3.3.1CH3NH3PbX3(X=I,Br)概述49

3.3.2计算细节49

3.3.3CH3NH3PbX3(X=I,Br)的晶体结构和带隙50

3.3.4MAPbX3(X=I,Br)的电子结构51

3.3.5T-MAPbX3和O-MAPbX3(X=Br,I)的光学性质53

3.3.6T-MAPbX3和O-MAPbX3(X=Br,I)空穴和电子的有效质量54

3.4CH3NH3SnX3(X=Cl,Br,I)的有效质量和光电性质60

3.4.1计算细节61

3.4.2CH3NH3SnX3(X=Cl,Br,I)的晶格常数62

3.4.3CH3NH3SnX3(X=Cl,Br,I)的电子结构62

3.4.4CH3NH3SnX3(X=Cl,Br,I)的有效质量64

3.4.5CH3NH3SnX3(X=Cl,Br,I)的光学性质65

3.5CH3NH3BX3(B=Sn,Pb；X=Br,I)的力学性能69

参考文献76

4有机-无机杂化钙钛矿单晶的制备与热学、力学性质82

4.1有机-无机杂化钙钛矿的单晶制备82

4.1.1单晶生长方法及分类82

4.1.2冷却以H-X为溶剂的前驱体溶液法82

4.1.3抗溶剂扩散法82

4.1.4反转温度法82

4.1.5MAPbBr3与MAPbCl3单晶的制备84

4.1.6MAPbI3单晶的制备87

4.2有机-无机杂化钙钛矿（MAPbX3）单晶的表征88

4.2.1MAPbX3(X =Cl,Br,I)单晶宏观形貌88

4.2.2MAPbX3(X =Cl,Br,I)单晶的相结构分析88

4.2.3能带结构和光学性质分析91

4.3有机-无机杂化钙钛矿（MAPbX3）单晶的热学性质95

4.3.1MAPbX3(X=Cl,Br,I)单晶的热稳定性分析95

4.3.2MAPbX3(X=Cl,Br,I)单晶的热容与热传输性能分析96

4.3.3MAPbX3(X=Cl,Br,I)单晶的热膨胀性能分析98

4.3.4MAPbX3(X=Cl,Br,I)单晶低热导率机制分析100

4.3.5MAPbX3(X=Cl,Br,I)的低热导率与高热膨胀机制分析101

4.3.6MAPbX3(X=Cl,Br,I)的应用局限与展望104

4.4有机-无机杂化钙钛矿（MAPbX3）单晶的力学性质105

4.4.1MAPbCl3的力学性能105

4.4.2MAPbBr3的力学性能108

4.4.3MAPbI3的力学性能110

4.4.4MAPbClxBr3-x的力学性能112

参考文献120

5无机含锡卤族钙钛矿的光伏应用125

5.1卤族钙钛矿光伏应用概述125

5.1.1卤族钙钛矿太阳电池器件结构125

5.1.2卤族钙钛矿太阳电池工作原理126

5.1.3卤族钙钛矿太阳能电池研究进展128

5.1.4卤族钙钛矿光伏材料发展前沿129

5.2卤族钙钛矿光伏材料的无机化与锡铅混合129

5.2.1卤族钙钛矿的无机化129

5.2.2锡铅混合卤族钙钛矿133

5.3卤族钙钛矿薄膜制备方法135

5.3.1溶剂135

5.3.2反溶剂136

5.3.3溶液浓度与旋涂转速136

5.3.4薄膜退火136

5.4卤族钙钛矿器件组装方法137

5.4.1载流子传输层制备方法137

5.4.2器件组装139

5.5CsSnxPb1-xI3钙钛矿薄膜及器件性能优化139

5.5.1CsSnxPb1-xI3钙钛矿薄膜及器件制备139

5.5.2CsSn0.4Pb0.6I3薄膜基本性质144

5.5.3CsSn0.4Pb0.6I3器件性能148

5.5.4CsSnxPb1-xI3器件结构的优化148

5.5.5CsSnxPb1-xI3钙钛矿组分的优化150

5.6晶界与表面缺陷双钝化CsSn0.4Pb0.6I3钙钛矿太阳能电池156

5.6.1晶界与表面缺陷双钝化CsSn0.4Pb0.6I3钙钛矿薄膜制备方法157

5.6.2晶界与表面缺陷双钝化CsSn0.4Pb0.6I3钙钛矿薄膜性质157

5.6.3晶界与表面缺陷双钝化CsSn0.4Pb0.6I3钙钛矿太阳能电池性能164

5.6.4晶界与表面缺陷双钝化物理机制173

5.6.5CsSn0.4Pb0.6I3钙钛矿薄膜表面缺陷的进一步钝化181

参考文献184

6远程外延生长无机卤族钙钛矿的光电性能191

6.1远程外延生长概述191

6.2外延关系和晶体结构192

6.3未屏蔽的极性衬底的电势能201

6.4远程外延抑制成核并促进生长202

6.5通过远程外延控制晶体畴的周期性205

6.6位错与载流子动力学的关系207

6.7在离子外延和远程外延中的位错形成机制211

参考文献217

7无机含锡卤族钙钛矿的热电性能221

7.1热电效应221

7.1.1Seebeck效应221

7.1.2Peltier效应222

7.1.3Thomson效应222

7.2热电材料的输运性质223

7.2.1Seebeck系数223

7.2.2电导率223

7.2.3功率因子224

7.2.4热导率224

7.2.5发电效率及热电优值225

7.3CsMI3（M=Sn，Ge）块体材料热电性能227

7.3.1CsSnI3和CsGeI3的相结构227

7.3.2CsSnI3和CsGeI3的电传输性能228

7.4卤族钙钛矿块体样品的制备工艺230

7.4.1真空封管烧结工艺230

7.4.2放电等离子烧结工艺231

7.4.3CsSnI3和CsGeI3的热传输性能231

7.4.4CsSnI3和CsGeI3的ZT232

7.5Pb掺杂CsSnI3优化热电性能的机理233

7.5.1Pb掺杂CsSnI3对相结构的影响233

7.5.2Pb掺杂CsSnI3对电传输性能的影响234

7.5.3Pb掺杂CsSnI3对热传输性能的影响236

7.5.4Pb掺杂CsSnI3对ZT的影响237

7.6Sn/Ge比对CsMI3（M=Sn，Ge）稳定性及热电性能的影响238

7.6.1Sn/Ge比对CsMI3（M=Sn，Ge）相结构的影响238

7.6.2Sn/Ge比对CsMI3（M=Sn，Ge）稳定性的影响机制240

7.6.3Sn/Ge比对CsMI3（M=Sn，Ge）电传输性能的影响244

7.6.4Sn/Ge比对CsMI3（M=Sn，Ge）能带结构的影响246

7.6.5Sn/Ge比对CsMI3（M=Sn，Ge）热传输性能的影响247

7.6.6Sn/Ge比对CsMI3（M=Sn，Ge）ZT的影响248

7.7放电等离子烧结CsMI3（M=Sn，Ge）样品的热电性能249

7.7.1放电等离子烧结CsMI3的相结构250

7.7.2放电等离子烧结CsMI3的微观形貌250

7.7.3放电等离子烧结CsMI3的电传输性能251

7.7.4放电等离子烧结CsMI3的热传输性能253

7.7.5放电等离子烧结CsMI3的ZT253

参考文献255

8机器学习在卤族钙钛矿领域的应用259

8.1特征工程259

8.1.1特征构建259

8.1.2特征降维260

8.1.3特征交叉261

8.1.4特征归一化262

8.2模型评估方法262

8.2.1数据集划分263

8.2.2回归模型性能评估指标263

8.2.3分类模型性能评估指标264

8.3机器学习方法264

8.3.1梯度提升回归树265

8.3.2迁移学习265

8.3.3基于遗传算法的符号回归267

8.4可解释机器学习策略加速杂化钙钛矿带隙调控267

8.4.1工作流程268

8.4.2数据准备与特征工程268

8.4.3基于符号回归的经验公式构建274

8.4.4含未知元素的模型泛化能力测试277

8.4.5目标带隙筛选与实验验证279

8.4.6特征重要性分析281

参考文献283