鐵電光伏材料帶隙的第一性原理研究
發(fā)布時間：2021-11-17 08:29
由于鐵電材料具有自發(fā)極化的特點,鐵電光伏效應(yīng)完全有別于傳統(tǒng)p-n結(jié)的光伏響應(yīng)方式,它的光生電壓可以數(shù)倍甚至數(shù)十倍于它的能帶帶隙值。但阻礙鐵電光伏器件發(fā)展的最大難題是其大的帶隙而導(dǎo)致的非常小光生電流。因此,研究并探索有效降低鐵電光伏材料的帶隙是目前鐵電光伏效應(yīng)的研究熱點。本論文采用第一性原理方法研究了磁序、摻雜以及應(yīng)變對BiFeO3、SnTiO3和BiCoO3鐵電材料帶隙影響的規(guī)律,探討了帶隙變化的內(nèi)在機制,主要研究工作如下:（一）計算了對應(yīng)不同磁序的四方BiFeO3的帶隙,結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)G-type反鐵磁序轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁序后,t-BiFeO3的帶隙從1.530 eV減小到1.037 eV,同時仍然保持較大的鐵電極化強度（160μC/cm2）。與C-type/G-type相比,A-type/FM的帶隙變小來源于Fe和Ob的離子性增加造成的Fe 3d eg反鍵態(tài)的能級向下移動和Ob 2p態(tài)的能級向上移...
【文章來源】：河北大學(xué)河北省
【文章頁數(shù)】：88 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
陽光的光譜分布
第一章引言3穴的分布發(fā)生改變，從而形成非平衡載流子，p-n結(jié)原有的電子空穴平衡狀態(tài)被打破。p型區(qū)域產(chǎn)生的電子會在內(nèi)建電場的作用下發(fā)生漂移，向n型半導(dǎo)體一側(cè)運動并集結(jié)在結(jié)附近；n型區(qū)域產(chǎn)生的空穴也會漂移到p型半導(dǎo)體一側(cè)并集結(jié)在結(jié)附近，這樣形成了一個與原內(nèi)建電場方向相反的電場，這就相當(dāng)于在p-n結(jié)上外加了一個正向的電壓，從而導(dǎo)致p-n結(jié)的勢壘下降。這種勢壘的下降又會引起n型區(qū)域的電子向p型區(qū)域擴(kuò)散，p型區(qū)域的空穴向n型區(qū)域擴(kuò)散。當(dāng)p-n結(jié)處于斷路狀態(tài)時，這種擴(kuò)散電流和漂移電流將最終達(dá)到平衡，p-n結(jié)達(dá)到穩(wěn)定。最終形成的反向電場會導(dǎo)致原內(nèi)建電場產(chǎn)生一定的電勢差V，V稱之為光生電壓，斷路時的光生電壓最大，即為開路電壓Voc。（3）光生電流的產(chǎn)生：當(dāng)用外加電阻將p-n結(jié)兩端連接起來后，n區(qū)域所積累的電子和p區(qū)域所積累的空穴這時可以不斷地向兩端擴(kuò)散，進(jìn)而發(fā)生復(fù)合，從而造成p-n接兩端的正向電壓比斷路狀態(tài)時有所降低，p-n結(jié)內(nèi)部的平衡被打破，漂移電流大于擴(kuò)散電流，此時n區(qū)域的空穴不斷地向p區(qū)域移動，p區(qū)域的電子不斷地向n區(qū)域移動（圖1-2c），從而產(chǎn)生光生電流。此時的p-n結(jié)兩端的正向電壓為光生電壓，等于電阻兩端的電壓降。若p-n結(jié)兩端處于短路狀態(tài)，此時正向電壓等于零，光電流達(dá)到最大，這即是短路電流ISC。衡量太陽能電池的優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)是能量轉(zhuǎn)換效率（PCE，），定義為輸出電能與吸收的太陽能的比值，表達(dá)式如下：=Pout/Pin=JscVocFF/Pin(1)Jsc為短路電流密度，Voc為開路電壓，F(xiàn)F為品質(zhì)因子（最大的輸出電能與短路電流和開路電壓乘積的比值FF=Pmax/(VocIsc)）。圖1-2p-n結(jié)光伏原理。(a)p-n結(jié)內(nèi)建電場的產(chǎn)生；(b)光生載流子的產(chǎn)生；(c)光生載流子分離，產(chǎn)生光伏。
第一章引言5圖1-3鐵電電滯回線鐵電體與晶體結(jié)構(gòu)有非常緊密的聯(lián)系，鐵電相變是典型的結(jié)構(gòu)相變，而自發(fā)極化出現(xiàn)的原因主要是由于原子位置發(fā)生變化引起的。因此，晶體結(jié)構(gòu)是認(rèn)識鐵電體性質(zhì)的基矗根據(jù)自發(fā)極化強度和晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，鐵電體大致可以分為下面幾類：1、含氧八面體鐵電體，主要特點是含氧八面體中離子偏離中心的運動對自發(fā)極化做了主要貢獻(xiàn)，包括鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鈮酸鋰結(jié)構(gòu)和鎢青銅結(jié)構(gòu)等；2、含氫鍵鐵電體，這種鐵電體的特點是鐵電自發(fā)極化的產(chǎn)生是由氫鍵中的質(zhì)子有序化造成的，有些鐵電體的電偶極子是由氫鍵本身形成的，而有些是通過氫鍵與晶格振動模的耦合而形成；3、含氟八面體鐵電體，這類鐵電體的化學(xué)穩(wěn)定性比較差，在高溫時容易水解，所以氟化物鐵電體的種類比較少，且自發(fā)極化強度也不大；4、含其它離子基團(tuán)的鐵電體，主要包括硫酸三甘氨酸[(NH2CH2COOH)3·H2SO4，簡稱TGS]，NaNO2，內(nèi)胺化合物[內(nèi)胺：(CH3)3NCH2COO]，羅息鹽（酒石酸鉀鈉，NaKC4H4O6·4H2O）；5、鐵電聚合物和鐵電液晶。這其中最常見的是含氧八面體中的鈣鈦礦型鐵電體，可以用通式ABO3表示，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可用簡立方晶格來描述，如圖1-4a是一個典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)單元，頂角是離子半徑較大的A占據(jù)，體心被離子半徑較小的B占據(jù)，六個面心則被O占據(jù)。他們共同組成了一個八面體結(jié)構(gòu)，B離子偏離八面體中心的運動導(dǎo)致了鐵電體的自發(fā)極化，方向通常沿如圖1-4a為中心對稱立方相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，圖1-4b是沿c方向的典型的鐵電相，鐵電相的晶格常數(shù)也隨之發(fā)生改變。
本文編號：3500536
【文章來源】：河北大學(xué)河北省
【文章頁數(shù)】：88 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
陽光的光譜分布
第一章引言3穴的分布發(fā)生改變，從而形成非平衡載流子，p-n結(jié)原有的電子空穴平衡狀態(tài)被打破。p型區(qū)域產(chǎn)生的電子會在內(nèi)建電場的作用下發(fā)生漂移，向n型半導(dǎo)體一側(cè)運動并集結(jié)在結(jié)附近；n型區(qū)域產(chǎn)生的空穴也會漂移到p型半導(dǎo)體一側(cè)并集結(jié)在結(jié)附近，這樣形成了一個與原內(nèi)建電場方向相反的電場，這就相當(dāng)于在p-n結(jié)上外加了一個正向的電壓，從而導(dǎo)致p-n結(jié)的勢壘下降。這種勢壘的下降又會引起n型區(qū)域的電子向p型區(qū)域擴(kuò)散，p型區(qū)域的空穴向n型區(qū)域擴(kuò)散。當(dāng)p-n結(jié)處于斷路狀態(tài)時，這種擴(kuò)散電流和漂移電流將最終達(dá)到平衡，p-n結(jié)達(dá)到穩(wěn)定。最終形成的反向電場會導(dǎo)致原內(nèi)建電場產(chǎn)生一定的電勢差V，V稱之為光生電壓，斷路時的光生電壓最大，即為開路電壓Voc。（3）光生電流的產(chǎn)生：當(dāng)用外加電阻將p-n結(jié)兩端連接起來后，n區(qū)域所積累的電子和p區(qū)域所積累的空穴這時可以不斷地向兩端擴(kuò)散，進(jìn)而發(fā)生復(fù)合，從而造成p-n接兩端的正向電壓比斷路狀態(tài)時有所降低，p-n結(jié)內(nèi)部的平衡被打破，漂移電流大于擴(kuò)散電流，此時n區(qū)域的空穴不斷地向p區(qū)域移動，p區(qū)域的電子不斷地向n區(qū)域移動（圖1-2c），從而產(chǎn)生光生電流。此時的p-n結(jié)兩端的正向電壓為光生電壓，等于電阻兩端的電壓降。若p-n結(jié)兩端處于短路狀態(tài)，此時正向電壓等于零，光電流達(dá)到最大，這即是短路電流ISC。衡量太陽能電池的優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)是能量轉(zhuǎn)換效率（PCE，），定義為輸出電能與吸收的太陽能的比值，表達(dá)式如下：=Pout/Pin=JscVocFF/Pin(1)Jsc為短路電流密度，Voc為開路電壓，F(xiàn)F為品質(zhì)因子（最大的輸出電能與短路電流和開路電壓乘積的比值FF=Pmax/(VocIsc)）。圖1-2p-n結(jié)光伏原理。(a)p-n結(jié)內(nèi)建電場的產(chǎn)生；(b)光生載流子的產(chǎn)生；(c)光生載流子分離，產(chǎn)生光伏。
第一章引言5圖1-3鐵電電滯回線鐵電體與晶體結(jié)構(gòu)有非常緊密的聯(lián)系，鐵電相變是典型的結(jié)構(gòu)相變，而自發(fā)極化出現(xiàn)的原因主要是由于原子位置發(fā)生變化引起的。因此，晶體結(jié)構(gòu)是認(rèn)識鐵電體性質(zhì)的基矗根據(jù)自發(fā)極化強度和晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，鐵電體大致可以分為下面幾類：1、含氧八面體鐵電體，主要特點是含氧八面體中離子偏離中心的運動對自發(fā)極化做了主要貢獻(xiàn)，包括鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鈮酸鋰結(jié)構(gòu)和鎢青銅結(jié)構(gòu)等；2、含氫鍵鐵電體，這種鐵電體的特點是鐵電自發(fā)極化的產(chǎn)生是由氫鍵中的質(zhì)子有序化造成的，有些鐵電體的電偶極子是由氫鍵本身形成的，而有些是通過氫鍵與晶格振動模的耦合而形成；3、含氟八面體鐵電體，這類鐵電體的化學(xué)穩(wěn)定性比較差，在高溫時容易水解，所以氟化物鐵電體的種類比較少，且自發(fā)極化強度也不大；4、含其它離子基團(tuán)的鐵電體，主要包括硫酸三甘氨酸[(NH2CH2COOH)3·H2SO4，簡稱TGS]，NaNO2，內(nèi)胺化合物[內(nèi)胺：(CH3)3NCH2COO]，羅息鹽（酒石酸鉀鈉，NaKC4H4O6·4H2O）；5、鐵電聚合物和鐵電液晶。這其中最常見的是含氧八面體中的鈣鈦礦型鐵電體，可以用通式ABO3表示，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可用簡立方晶格來描述，如圖1-4a是一個典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)單元，頂角是離子半徑較大的A占據(jù)，體心被離子半徑較小的B占據(jù)，六個面心則被O占據(jù)。他們共同組成了一個八面體結(jié)構(gòu)，B離子偏離八面體中心的運動導(dǎo)致了鐵電體的自發(fā)極化，方向通常沿如圖1-4a為中心對稱立方相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，圖1-4b是沿c方向的典型的鐵電相，鐵電相的晶格常數(shù)也隨之發(fā)生改變。
本文編號：3500536
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