铁电光伏材料带隙的第一性原理研究
发布时间：2021-11-17 08:29
由于铁电材料具有自发极化的特点,铁电光伏效应完全有别于传统p-n结的光伏响应方式,它的光生电压可以数倍甚至数十倍于它的能带带隙值。但阻碍铁电光伏器件发展的最大难题是其大的带隙而导致的非常小光生电流。因此,研究并探索有效降低铁电光伏材料的带隙是目前铁电光伏效应的研究热点。本论文采用第一性原理方法研究了磁序、掺杂以及应变对BiFeO3、SnTiO3和BiCoO3铁电材料带隙影响的规律,探讨了带隙变化的内在机制,主要研究工作如下:（一）计算了对应不同磁序的四方BiFeO3的带隙,结果发现,当G-type反铁磁序转变为铁磁序后,t-BiFeO3的带隙从1.530 eV减小到1.037 eV,同时仍然保持较大的铁电极化强度（160μC/cm2）。与C-type/G-type相比,A-type/FM的带隙变小来源于Fe和Ob的离子性增加造成的Fe 3d eg反键态的能级向下移动和Ob 2p态的能级向上移...
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
阳光的光谱分布
第一章引言3穴的分布发生改变，从而形成非平衡载流子，p-n结原有的电子空穴平衡状态被打破。p型区域产生的电子会在内建电场的作用下发生漂移，向n型半导体一侧运动并集结在结附近；n型区域产生的空穴也会漂移到p型半导体一侧并集结在结附近，这样形成了一个与原内建电场方向相反的电场，这就相当于在p-n结上外加了一个正向的电压，从而导致p-n结的势垒下降。这种势垒的下降又会引起n型区域的电子向p型区域扩散，p型区域的空穴向n型区域扩散。当p-n结处于断路状态时，这种扩散电流和漂移电流将最终达到平衡，p-n结达到稳定。最终形成的反向电场会导致原内建电场产生一定的电势差V，V称之为光生电压，断路时的光生电压最大，即为开路电压Voc。（3）光生电流的产生：当用外加电阻将p-n结两端连接起来后，n区域所积累的电子和p区域所积累的空穴这时可以不断地向两端扩散，进而发生复合，从而造成p-n接两端的正向电压比断路状态时有所降低，p-n结内部的平衡被打破，漂移电流大于扩散电流，此时n区域的空穴不断地向p区域移动，p区域的电子不断地向n区域移动（图1-2c），从而产生光生电流。此时的p-n结两端的正向电压为光生电压，等于电阻两端的电压降。若p-n结两端处于短路状态，此时正向电压等于零，光电流达到最大，这即是短路电流ISC。衡量太阳能电池的优劣的一个重要指标是能量转换效率（PCE，），定义为输出电能与吸收的太阳能的比值，表达式如下：=Pout/Pin=JscVocFF/Pin(1)Jsc为短路电流密度，Voc为开路电压，FF为品质因子（最大的输出电能与短路电流和开路电压乘积的比值FF=Pmax/(VocIsc)）。图1-2p-n结光伏原理。(a)p-n结内建电场的产生；(b)光生载流子的产生；(c)光生载流子分离，产生光伏。
第一章引言5图1-3铁电电滞回线铁电体与晶体结构有非常紧密的联系，铁电相变是典型的结构相变，而自发极化出现的原因主要是由于原子位置发生变化引起的。因此，晶体结构是认识铁电体性质的基矗根据自发极化强度和晶体结构之间的关系，铁电体大致可以分为下面几类：1、含氧八面体铁电体，主要特点是含氧八面体中离子偏离中心的运动对自发极化做了主要贡献，包括钙钛矿结构、铌酸锂结构和钨青铜结构等；2、含氢键铁电体，这种铁电体的特点是铁电自发极化的产生是由氢键中的质子有序化造成的，有些铁电体的电偶极子是由氢键本身形成的，而有些是通过氢键与晶格振动模的耦合而形成；3、含氟八面体铁电体，这类铁电体的化学稳定性比较差，在高温时容易水解，所以氟化物铁电体的种类比较少，且自发极化强度也不大；4、含其它离子基团的铁电体，主要包括硫酸三甘氨酸[(NH2CH2COOH)3·H2SO4，简称TGS]，NaNO2，内胺化合物[内胺：(CH3)3NCH2COO]，罗息盐（酒石酸钾钠，NaKC4H4O6·4H2O）；5、铁电聚合物和铁电液晶。这其中最常见的是含氧八面体中的钙钛矿型铁电体，可以用通式ABO3表示，钙钛矿结构可用简立方晶格来描述，如图1-4a是一个典型的钙钛矿结构单元，顶角是离子半径较大的A占据，体心被离子半径较小的B占据，六个面心则被O占据。他们共同组成了一个八面体结构，B离子偏离八面体中心的运动导致了铁电体的自发极化，方向通常沿如图1-4a为中心对称立方相钙钛矿结构，图1-4b是沿c方向的典型的铁电相，铁电相的晶格常数也随之发生改变。
本文编号：3500536
【文章来源】：河北大学河北省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
阳光的光谱分布
第一章引言3穴的分布发生改变，从而形成非平衡载流子，p-n结原有的电子空穴平衡状态被打破。p型区域产生的电子会在内建电场的作用下发生漂移，向n型半导体一侧运动并集结在结附近；n型区域产生的空穴也会漂移到p型半导体一侧并集结在结附近，这样形成了一个与原内建电场方向相反的电场，这就相当于在p-n结上外加了一个正向的电压，从而导致p-n结的势垒下降。这种势垒的下降又会引起n型区域的电子向p型区域扩散，p型区域的空穴向n型区域扩散。当p-n结处于断路状态时，这种扩散电流和漂移电流将最终达到平衡，p-n结达到稳定。最终形成的反向电场会导致原内建电场产生一定的电势差V，V称之为光生电压，断路时的光生电压最大，即为开路电压Voc。（3）光生电流的产生：当用外加电阻将p-n结两端连接起来后，n区域所积累的电子和p区域所积累的空穴这时可以不断地向两端扩散，进而发生复合，从而造成p-n接两端的正向电压比断路状态时有所降低，p-n结内部的平衡被打破，漂移电流大于扩散电流，此时n区域的空穴不断地向p区域移动，p区域的电子不断地向n区域移动（图1-2c），从而产生光生电流。此时的p-n结两端的正向电压为光生电压，等于电阻两端的电压降。若p-n结两端处于短路状态，此时正向电压等于零，光电流达到最大，这即是短路电流ISC。衡量太阳能电池的优劣的一个重要指标是能量转换效率（PCE，），定义为输出电能与吸收的太阳能的比值，表达式如下：=Pout/Pin=JscVocFF/Pin(1)Jsc为短路电流密度，Voc为开路电压，FF为品质因子（最大的输出电能与短路电流和开路电压乘积的比值FF=Pmax/(VocIsc)）。图1-2p-n结光伏原理。(a)p-n结内建电场的产生；(b)光生载流子的产生；(c)光生载流子分离，产生光伏。
第一章引言5图1-3铁电电滞回线铁电体与晶体结构有非常紧密的联系，铁电相变是典型的结构相变，而自发极化出现的原因主要是由于原子位置发生变化引起的。因此，晶体结构是认识铁电体性质的基矗根据自发极化强度和晶体结构之间的关系，铁电体大致可以分为下面几类：1、含氧八面体铁电体，主要特点是含氧八面体中离子偏离中心的运动对自发极化做了主要贡献，包括钙钛矿结构、铌酸锂结构和钨青铜结构等；2、含氢键铁电体，这种铁电体的特点是铁电自发极化的产生是由氢键中的质子有序化造成的，有些铁电体的电偶极子是由氢键本身形成的，而有些是通过氢键与晶格振动模的耦合而形成；3、含氟八面体铁电体，这类铁电体的化学稳定性比较差，在高温时容易水解，所以氟化物铁电体的种类比较少，且自发极化强度也不大；4、含其它离子基团的铁电体，主要包括硫酸三甘氨酸[(NH2CH2COOH)3·H2SO4，简称TGS]，NaNO2，内胺化合物[内胺：(CH3)3NCH2COO]，罗息盐（酒石酸钾钠，NaKC4H4O6·4H2O）；5、铁电聚合物和铁电液晶。这其中最常见的是含氧八面体中的钙钛矿型铁电体，可以用通式ABO3表示，钙钛矿结构可用简立方晶格来描述，如图1-4a是一个典型的钙钛矿结构单元，顶角是离子半径较大的A占据，体心被离子半径较小的B占据，六个面心则被O占据。他们共同组成了一个八面体结构，B离子偏离八面体中心的运动导致了铁电体的自发极化，方向通常沿如图1-4a为中心对称立方相钙钛矿结构，图1-4b是沿c方向的典型的铁电相，铁电相的晶格常数也随之发生改变。
本文编号：3500536
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