新型鈣鈦礦鐵電光伏材料的理論設計

《新型鈣鈦礦鐵電光伏材料的理論設計》是依託西安交通大學，由緱高陽擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型鈣鈦礦鐵電光伏材料的理論設計
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：緱高陽
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

為了有效地利用清潔、可再生的太陽能，需要通過光伏材料吸收太陽光，將太陽能轉化成電能存儲起來。在諸多光伏材料中，具有鐵電自發極化的鐵電光伏材料因奇特的性質而備受關注。但是絕大多數的鐵電材料是寬頻隙的絕緣體，無法有效地吸收太陽光，因此急需設計出更多的具有窄帶隙、半導體特性的鐵電光伏材料。在本項目中，我們將利用第一性原理計算方法，通過對鈣鈦礦鐵電材料電子結構和鐵電性質的研究，來設計新型鈣鈦礦鐵電光伏材料。我們將借鑑鐵電領域的最新研究進展，選擇特定的非鐵電鈣鈦礦光伏材料，將其設計、改造成具有雜化反常鐵電性的鐵電光伏材料，實現光伏材料鐵電化。這不同於傳統的通過離子摻雜使鐵電材料半導體化的設計思想。通過本研究項目，我們將設計出具有穩定鐵電極化、半導體特性且易於實驗合成的新型鐵電光伏材料。本項目不僅會為鐵電光伏材料的設計提供新的思路，還會為將來實驗上合成、表征新型鈣鈦礦型鐵電光伏材料提供理論依據。

結題摘要

具有穩定的鐵電極化，能夠高效吸收太陽光的窄帶隙、半導體特性的鐵電光伏材料可利用鐵電光伏效應實現較高的光電能量轉換效率。有別於傳統的通過離子摻雜使得絕緣性鈣鈦礦鐵電氧化物半導體化的鐵電光伏材料設計方案，在本項目中，我們創新性地提出了“鈣鈦礦半導體材料鐵電化”的全新設計理念。為此，我們選擇了若干種具有正交Pnma結構的順電鈣鈦礦硫化物、氮氧化物和碘化物。根據鐵電極化與a-a-c+八面體旋轉模式之間的耦合關聯，我們通過結構調製，將上述順電鈣鈦礦半導體材料設計、改造成具有雜化反常鐵電性的新型鈣鈦礦鐵電光伏材料：即Ruddlesden–Popper鈣鈦礦硫化物A3B2S7 (A = Ca，Sr，Ba; B = Zr，Hf)，氮氧化物Ca3Nb2O5N2和A位有序的雙鈣鈦礦(Cs/Rb)Sn2I6。通過本項目的研究，我們首次在鈣鈦礦硫化物、氮氧化物和碘化物體系中實現了穩定的鐵電極化。同時我們的計算模擬結果還表明，我們所設計的鈣鈦礦鐵電光伏材料均為直接帶半導體(帶隙在1.5 ~2.2 eV之間)，可以有效的吸收太陽光，有望實現較高的能量轉換效率。目前實驗上已成功合成了Ruddlesden-Popper鈣鈦礦硫化物Ba3Zr2S7，證實了我們的理論預測。我們還通過開展第一性原理計算和對稱性分析，確立了上述幾種鈣鈦礦鐵電光伏材料的帶隙、鐵電極化與鈣鈦礦結構參數(如鈣鈦礦容限因子等)的依賴關係，為實現對鈣鈦礦鐵電光伏材料性質的可控調製和設計高性能鐵電光伏材料提供了依據。此外，我們還探索了實驗上已合成但尚未未被關注的半導體性的鐵電光伏材料，發掘出一系列具有穩定的鐵電極化和窄帶隙的鐵電光伏材料，如雙鈣鈦礦CaMnTi2O6，Sn2P2S6-xSe6x鐵電固溶體和NbOI2二維層狀鐵電材料。通過開展實驗合作，我們還成功設計、製備出一種新型鈣鈦礦鐵電光伏材料Sr1-xBi2+xNb2-xNixO9-x，並對其光伏性能進行了表征。通過本項目的研究，我們不僅提出了設計鐵電光伏材料的新理念，同時還為今後研究和表征Ruddlesden-Popper鹵族鈣鈦礦體系中所出現的奇特鐵電性質提供了理論依據。