能源是人类社会赖以生存和发展的重要基础。新能源作为一种绿色新技术,既能减少环境污染,又能缓解能源危机,成为进入21世纪后世界经济发展中最具有决定性影响的技术领域之一。其中,太阳能电池的应用已经比较广泛。从长远来看,大规模利用太阳能的前景广阔。钙钛矿太阳能电池由于其高光电转换效率、低成本而被广泛关注。理想的钙钛矿材料和载流子传输层都是提高光电转换效率的必要条件。此外,由于太阳能等多数能源无法连续获取,必须存在与之匹配的能量存储及转换装置,才能真正实现能源的持续供给。碱金属离子电池作为一种新型高能绿色电池备受关注。继续完善现有离子电池相关技术,开发新型离子电池材料,才能适应经济增长与环境保护相协调的发展潮流。本文基于量子力学第一性原理和密度泛函理论计算方法,对钙钛矿太阳能电池和碱金属离子电池有关的新能源材料进行了深入探究。本文首先以钙钛矿太阳能电池中使用的有机无机杂化卤化物钙钛矿材料为研究对象,主要研究了甲胺与甲脒钙钛矿材料表面修饰工程和与石墨烯系列材料结合构成异质结的界面工程的微观机理与电子性质等。本文通过对钙钛矿在不同浓度表面吸附铅原子的情形下的电荷密度分析,发现额外吸附的铅原子周围的电子密度在表面附近减少,电子倾向于转移到系统的内部。额外吸附的Pb原子和原始I原子之间的电子密度在Pb原子附近减小,电子转移到I原子。表面上形成Pb-I键,使得系统费米能级上移而显示出弱金属性。本文进一步报道了用第一性原理计算对石墨烯系列材料C_mO_nCl_k和具有富铅化表面的甲脒/甲胺卤化铅钙钛矿[FA,MA]Pb_1+yI₃([FA,MA]表示[CH(NH₂)₂,CH₃NH₃])构成的C_mO_nCl_k/[FA,MA]Pb_1+yI₃异质结构的性质的原子尺度机制进行的研究,其中“y”表示额外吸附的铅的比例因子。通过对异质结的结构和电子性质、载流子转移和量子传输的研究,我们发现在这些石墨烯相关材料中,氯掺杂氧化石墨烯(Cl-GO)对钙钛矿光伏的电荷转移和提取速率以及稳定性有最大的积极影响。此外,此研究发现在Cl-GO/[FA,MA]Pb_1+yI₃异质结构中,在界面附近产生了中间能带,将光吸收从可见光区域扩展到红外区域,这增强了钙钛矿太阳能电池的光吸收能力。对于碱金属离子电池,本文分析了石墨烯和氮掺杂石墨烯包覆Co Se₂纳米团簇构成的纤维网状阳极材料性能。DFT计算结果表明,由于低能势垒和相应的电子性质,Li或Na原子在石墨烯特别是氮掺杂石墨烯和Co Se₂的界面间具有良好的迁移能力和储存能力。这些优点在作为锂离子电池和钠离子电池的阳极时提高了电化学性能。