基于应变与掺杂设计高效光伏材料

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1、苏州科技大学硕士学位论文基于应变与掺杂设计高效光伏材料学生姓名：陈达指导教师姓名：马春兰专业名称：光学工程苏州科技大学数理学院二○一七年六月MasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyDesignofhighefficientphotovoltaicmaterialsbasedonstrainanddopingMasterCandidate:DaChenSupervisor:ChunlanMaMajor:OpticalEngineeringSuzhouUniversityofScienceandTechnologyD

2、epartmentofMathematicsandPhysicsJune,2017苏州科技大学硕士论文摘要摘要高效利用太阳能是解决能源危机和环境问题的最佳途径。通过应变和掺杂调控材料带隙，提高太阳能吸收效率是当前的研究热点。本论文用第一性原理方法，研究应变对SrTcO3带隙的影响、掺杂对BaTiO3带隙的影响，探讨它们用作太阳能电池材料的可能性。第一章回顾了一些太阳能电池材料的研究历程；第二章介绍了本文所涉及的理论和计算方法，包括密度泛函理论、局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA）和杂化密度泛函（HSE）方法；第三章用GGA+U方法研究了SrTcO3在双轴应变下的电子结构，讨论了

3、应变对带隙的调控；第四章用杂化密度泛函方法研究了掺杂对BaTiO3带隙的调控。第五章为总结与展望。在第三章中，用GGA+U方法探索了双轴应变对SrTcO3带隙的调控及调控机理。结果表明，无论是压缩应变还是拉伸应变，体系的光学带隙都减小。当SrTcO3生长在四种常用基片SrTiO3(STO)/La0.3Sr0.7Al0.35Ta0.35O9(LSAT)/NdGaO3(NGO)/LaAlO3(LAO)上，带隙值变为1.56/1.47/1.43/1.12eV，符合高效太阳能电池材料带隙范围。由电子结构分析，可得到带隙调控的机理：压缩应变增强时，导带底（源于Tc原子的d223z-r态）向费米能级

4、移动，而价带顶（源于dyz态）基本不移动，使带隙降低。在第四章中，用HSE方法计算得到BaTiO3的带隙为3.3eV，与实验值(3.4eV)符合得很好。用该方法研究Co单掺杂、Pd单掺杂以及(Co,Pd)共掺杂对体材料BaTiO3带隙的影响。发现有4种体系符合高效太阳能电池材料的带隙要求：BaTi0.875Pd0.125O3、BaTi0.875Co0.125O2.875、BaTi0.75Co0.125Pd0.125O2.75、BaTi0.926Co0.037Pd0.037O2.926带隙分别为1.95eV、1.85eV、1.95eV、1.90eV。电子结构分析表明，Pd掺杂引入的Pd_4

5、d态提供新的导带底，比原来Ti_3d导带底更靠近费米面，从而降低带隙。对于Co掺杂情形，Co_3d能带稍稍跨过费米面，产生部分空穴，当氧空位存在，氧空位提供的电子填满这些空穴，产生新的能级较高的价带顶，使带隙减小。对于(Co,Pd)共掺杂情形，价带顶升高与导带底降低同时发生，使带隙大大减小。本论文工作可为研制高效太阳能电池材料提供重要的理论依据。关键词：钙钛矿，过渡金属氧化物，应变，掺杂，太阳能电池材料I苏州科技大学硕士论文AbstractAbstractToexploitthesolarenergyeffectivelyisthebestavenuetosolvetheenergycr

6、isisandenvironmentalproblems.Itisafocusofresearchtotunethebandgapbystrainanddoping,soastoincreasetheabsorbefficiencyofsolarcellmaterial.First-principlesmethodisemployedtoinvestigatethestraineffectonbandgapofSrTcO3anddopingeffectonbandgapofBaTiO3.Thepossibilitiesofusingthemassolarcellmaterialsaree

7、xplored.InChapter1,somestudiesofthedevelopmenthistoryofsolarcellmaterialsarereviewed.Chapter2givesabriefintroductionofthetheoriesandcalculationmethodsusedinthethesis,includingdensityfunctionaltheory,localdensityapproxi