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太阳能电池等新能源应用，可改善经济发展与环境保护的矛盾，减轻对不可再生能源的依赖，调节能源资源供求失衡现状。新能源材料的开发与利用，是应对新能源新应用的关键。新能源的研发能力，归根结底取决于对新能源材料及其开发技术的突破。本论文基于密度泛函理论的第一性原理及相关计算研究方法，旨在通过新能源材料设计及性能预测研究，验证当前材料设计方法在新能源领域的普适性，并期望解决当前新能源研究领域面临的一些困难，探索新材料及预测新性能。结果发现，当前材料设计方法具有普适性，能够胜任包括单质、化合物以及合金型新能源材料的预测需求。针对具体科学问题，获得如下主要研究结果: 1.采用结构搜索方法并结合第一性原理计算，系统搜索了低能二维碳同素异形体结构，研究了费米能级附近的能量色散关系。通过对相关结构的分析，得到了获得具有Dirac锥和Dirac围栏的碳二维同素异形体结构的普适性规律。进一步将Ising模型应用于这些二维结构的能量预测，系统性地给出了碳二维同素异形体的构型及能量关系。研究结果表明，Dirac锥和线性色散关系是一种在二维碳同素异形体中常见的特征，并可存在异于石墨烯结构特征的体系中。此外，通过对石墨烯进行有序扭转操作，获得了系列sp2和sp3混杂结构，其中五种稳定结构具有特性各异的电学性能;通过构建硅无序掺杂石墨烯模型，发现了四种具有差异性电子结构的局域稳定构型及两种有序二维C-Si合金结构，其中一种合金由于其特殊的C-Si分布仍然保持有Dirac特征。采用不同模型构建方法，可获得具有不同电学特征的二维/三维稳定碳构型，为低维新能源器件提供丰富的原材料。 2.结合结构搜索及第一性原理，预测得到一种新纤锌矿型铜铟硒(CIS)材料的动力学稳定结构。该结构表现出更好的光电转换和电子输运能力，在近红外区域与黄铜矿CIS相比具有更高的光吸收系数，展现出作为高效太阳能电池吸收层材料的极大潜质。基于高精度第一性原理计算方法，在全面考虑掺杂位置的基础上，澄清了氯掺杂黄铜矿铜铟硒(c-CIS∶Cl)材料低效性的物理机制。研究表明，间隙缺陷以及间隙-替代缺陷对的存在中和了替位掺杂效果，最终导致c-CIS∶Cl掺杂低效性。 3.利用第一性原理结合结构搜索方法，系统研究了不同成分的铝镓氮(AlxGa1-xN，0＜x＜1)合金结构。结果发现具有非常低形成焓的7个新颖合金结构，其晶格参数和X射线衍射数据与相关实验报道结果具有相同特点。其中，Al0.5Ga0.5N合金结构的发现更正了此前对该成分最稳定结构的错误认识。此外，AlGaN系列结构的自发分解温度仅仅95K，在很大温度区间内具有良好的稳定性。进一步的光电计算显示，该系列结构具有连续变化的光学带隙和电学带隙，因而可用于开发适于较宽温度范围的高稳定性多颜色的发光器件。利用第一性原理声子计算方法，从理论上研究了氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)和氮化铟(InN)三种Ⅲ-氮化物的热学性质。结果表明，InN在50K以下存在负热膨胀效应，而AlN和GaN遵循热胀冷缩效应。通过声子振动模式和Grüneisen参数的分析，发现占据较大比重的混合光声振动模式弱化导致了总Grüneisen参数为负值，进而出现负热膨胀现象。