缺陷容忍度和结构稳定性的难以兼容是目前阻碍太阳能电池广泛应用的较为严重的问题。通常,以Si/CdTe晶体结构为原型的共价或者极性半导体由于其紧凑的四面体结构会表现出较强的结构稳定性,但因为组成这类半导体的原子之间具有极其相似的电负性,导致这类半导体的缺陷容忍度极低。相反,对于离子型半导体,比如钙钛矿系列材料,阴阳离子之间电负性的巨大差异使体系的本征缺陷能够表现出良好的电子特性,但由于钙钛矿材料中的阳离子半径较大,由这些阳离子构成的八面体框架比较稀疏而容易发生扭转,从而影响钙钛矿结构的稳定性。结合共价半导体稳定结构和离子化合物的良性缺陷,发现HgX2S4（X=In,Sc,Y）尖晶石结构半导体可以兼具这两种优点。尖晶石材料由紧密结合的四面体和八面体配位结构组成,具有良好的结构稳定性;同时其电子结构具有离子型特征,保证了较高的缺陷容忍度。基于第一性原理计算,本文以HgX2S4（X=In,Sc,Y）尖晶石半导体为研究对象,对其电子结构和性能调控进行了深入研究,具体分为以下五个部分:（1）计算了HgX2S4体系的电子结构,发现体系的带边具有典型的离子特性,导带底（CBM）主要由Hg-6s/X-ns（d）轨道贡献,价带顶（VBM）主要由S-3p轨道贡献,使得结构缺陷容忍度较高。并且,主量子数（n）较大的Hg-6s/X-ns（d）轨道在空间分布较为离域,引起CBM向下弯曲,这不仅使体系具有合适的带隙,而且也有利于n型载流子的形成和输运。另外归一化轨道重叠（NOO）计算验证了HgX2S4体系具有离子型特性的电子结构。（2）研究了HgX2S4尖晶石体系的光学性质,对其吸收率与入射光能量的关系进行了分析,结果表明在可见光区域内HgX2S4体系化合物具有很强的光吸收。（3）通过相图计算,表明尖晶石结构可以稳定存在于自然界中。进而又计算了体系本征缺陷的电子性质,缺陷形成能结果显示:在带隙范围内,体系的n型缺陷的形成能比p型缺陷的形成能低,表明了体系具有n型特征。转变能级计算表明,对体系的n型特征起着主导作用的n型缺陷的转变能级位置几乎都处于导带内部,即使采用GW0方法对体系的带隙值进行校正,缺陷能级位置仍然远离带隙中心,说明HgX2S4体系的本征缺陷不会引起严重的非辐射复合。（4）为得到费米能级和载流子浓度,首先结合泡利不相容原理、洪特规则,同时考虑简并能级在晶体场中的劈裂情况,计算了缺陷位点电子占据轨道的简并因子;然后通过自洽求解半导体电中性条件得到了体系的费米能级和载流子浓度。费米能级结果证实了体系均呈现出n型特征;从载流子浓度结果可以得出:在HgX2S4（X=In,Sc,Y）中,HgIn2S4具有最高的费米能级和电子浓度,Hg Y2S4在Y和Hg化学势都很低时具有较高的电子浓度,而Hg Sc2S4在整个化学势范围内电子浓度最低,远低于太阳能电池半导体吸收层材料的最佳载流子浓度。（5）第二份工作主要致力于通过缺陷工程提高体系的载流子浓度,考虑掺杂外来元素Cl来解决这一问题,结果表明通过Cl掺杂有效将Hg Y2S4和Hg Sc2S4的电子浓度调整到了合适的载流子浓度范围。此外,为了能够将材料投入实际的应用中,根据吸收层、空穴传输层、电子传输层材料的能带排列对光伏器件结构进行了设计,发现Ti O2/HgIn2S4/Ni O、Sn O2/Hg Y2S4/F8和Ti O2/Hg Sc2S4/Ni O是较为合理的高效太阳能电池器件结构。另外,考虑尝试解决尖晶石含有毒性金属汞这一问题,提出在基于尖晶石结构框架下,用具有类似离域的外层轨道的阳离子来替换Hg这一思路,首先尝试使用了Ba和Sr元素替代HgIn2S4中的Hg,通过分析替换后BaIn2S4和SrIn2S4的电子结构,发现替换后结构的带边组分与原来体系类似,说明上述思路可行。因此,尖晶石的有毒性问题可以选择上述思路来进一步尝试解决。