太阳能材料的计算与设计

太阳能材料是目前人类最关心的材料之一，涉及到很多物理和化学过程。尽管市场上已经有了商品，但仍需要提高效率和降低成本。本项目将从物理基本原理出发，以提高其光电转换、光催化、热能储存与输运效率为目的，结合当前最先进的计算方法，建立自己的设计方案。在已有一元二元三元合金的基础之上，针对能隙大小和带边结构，改善现有材料的性能，设计新的多元半导体太阳能吸收材料，以元素替代的方式降低材料的成本和减少毒性元素。通过研究尺寸和量子效应对纳米尺度材料热学性质的影响，寻找大热容且熔点不太高的材料，使得不仅可以利用焓变储热，同时可以利用相变潜热储能；研究纳米结构体系的热导机制，理解纳米尺度上热传导的动力学过程，通过设计导热介质、储热材料与导热介质的界面结构，根据需要调控储热材料的热导率。为实验研究提供依据。

该项目按计划任务书开展了太阳能材料的计算和设计，取得了理想的结果，在国际上产生了影响，圆满地完成了任务。主要成绩如下：.1）阐明了二元、三元、四元半导体在晶体结构和电子结构上的演化关系；确认了从二元半导体出发、以元素替换（mutation )的方式，可以获得具备理想性质的四元半导体太阳能材料。理论上预言Cu2ZnSnS4、Cu2ZnGeSe4、Si3AlP可以作为理想的半导体太阳能电池吸收层材料。明确指出了前人研究中关于晶体结构和能带带隙的长期混淆及原因，获得相继多个实验证实；发现并命名了Cu2ZnSnS4等的六角相亚稳结构wurtzite-kesterite；给出了Cu2ZnSn(S,Se)4合金的良好互溶性和带隙-成分的线性关系，并获实验证实；系统研究了Cu2ZnSnS4和Cu2ZnSnSe4的相稳定性和缺陷性质，发现了其中一系列独特现象，揭示了缺陷对电池性能的影响，其中关于缺陷能级的理论预测也已获实验证实。这些工作系统给出了该类半导体晶体结构、电子结构、合金、缺陷性质的一个比较完整的理论图像，结果发表后被广泛引用，被包括效率世界纪录保持者在内的众多实验研究组采纳以提高电池效率。.2）发展了名为Inverse Design of Materials by Multi-Objection Differential Evolution（IM2ODE）的逆向设计算法。开展了结构和能带设计，预言了一系列可用于太阳能吸收材料和光催化材料。例如，一种能隙为1.5 eV的直接带隙硅，一种可用于高效水分解金属氧化物合金(TiO2)2(Cu2O)，以及二维的C-N合金。.3）研究了电极材料中的质子污染的问题，解析由氢离子，锂离子浓度之间的关系。进一步确立了电解液中氢离子浓度和锂离子浓度对电极材料反应的竞争作用，确立了其线形边界的相图，并被实验所证实。建立了应变对半导体体系物理量影响的一般关系，给出了应变导致的占居态变化是性质出现非连续变化的本质原因。发现界面散射有可能提高体系的热导。.发表论文50多篇，其中PRL 4篇，JACS 4篇，ACS nano1篇，分别在Advanced Materials和Advanced Energy Materials 上发表以自己工作为主综述文章两篇。在美国MRS、国际三元多元半导体会议等国内外邀请报告20多次。项目期间，获得国家自然科学二等奖。