铁电材料光伏效应的第一性原理基础研究

Ferroelectric materials have many interesting photoelectric effects, including photogalvanic effect, anomalous photovoltaic effect, and photo-striction effect, etc. These effects may greatly enhance the conversion efficiency of the ferroelectric solar cell, and may also have potential applications in photo detection and photo control. However, to achieve these applications, there are still many difficulties that need to be solved. In this project, we will study the photoelectric and photovoltaic effects in ferroelectric materials, using first-principles methods, including: 1. So far most ferroelectric materials’ band gaps are too large for solar cell applications. We will study the tuning mechanisms of the band gap of ferroelectrics, and find materials that are suitable for solar cell applications; 2. We will study the mechanisms of the photogalvanic effect in ferroelectrics; 3. We will study the role of ferroelectric domain wall in the photovoltaic effects; 4. We will study the mechanisms of the novel photoelectric effects, e.g., the photostriction effect, and the tuning of ferroelectric properties by the photostriction effect. We hope our studies will provide a deeper understanding to the photo-induced effects in ferroelectrics, and to promote the ferroelectric materials in the photoelectric applications.

铁电材料具有丰富的光电物理效应，如光电流效应，反常光伏效应，光致伸缩效应等。这些物理效应可以有效地提高铁电材料的光电转换效率，同时也在光电探测与控制等方面有重要的应用前景。但目前铁电光电效应的应用还面临极大的挑战。本项目拟通过第一性原理计算方法开展铁电材料的光电、光伏效应的基础研究，包括：1. 针对目前多数铁电材料能隙过大不适合太阳能应用的情况，研究铁电材料的能带调节规律，寻找适合太阳能应用的铁电材料；2. 探讨铁电材料中光电流的产生机制与载流子的运动规律；3. 研究铁电畴壁对铁电光伏效应的影响；4. 探索铁电中的新型光电效应，如光致伸缩效应等，探讨光对铁电性质的调控。我们期望通过对这些基本物理问题的研究推动铁电光伏效应应用的发展。

铁电材料具有丰富的光电物理效应。这些物理效应可以有效地提高铁电材料的光电转换效率，同时也在光电探测与控制等方面有重要的应用前景。本项目通过第一性原理计算方法开展铁电材料的光电、光伏效应的基础研究，主要的进展包括：1. 针对铁电材料能隙过大的情况，我们研究了对铁电材料能隙的调节规律；2. 为了研究铁电的光伏效应，我们发展和完善了具有自主知识产权的第一性原理计算软件ABACUS，特别是发展了新的杂化密度泛函算法，可以有效计算包含上千原子的系统，克服了之前LDA/GGA泛函严重低估能隙的缺陷；3. 我们发展了利用rt-TDDFT计算光电流的方法，并且计算了WS2等材料中的光电导系数，并进一步计算光电导随温度的变化，载流子响应速度以及激发态的电子、空穴的寿命等，之前微扰方法无法计算的重要物理性质。通过项目实施，我们发展和完善了研究铁电光伏效应的方法和研究工具，并且研究了铁电材料能带的调控，研究了光电流效应，及载流子的运动规律，等重要物理性质，圆满的完成了研究目标。