硫族钙钛矿半导体材料中缺陷的第一性原理研究

In the past several years, CH3NH3PbI3 and other halide perovskites, being used for low-cost and high-efficiency solar cells, have attracted intensive research. The key issues now faced by these materials are their low stability and the use of toxic element Pb. Discovering stable and environmentally friendly perovskite solar absorber materials has become a frontier research area. The applicant recently proposed that lead-free chalcogenide perovskites, such as BaZrS3, possess favorable optical properties as light absorbers for solar cells and are superior to the halide perovskites concerning stability. However, our knowledge on the photovoltaic properties of the chalcogenide perovskites is still limited, especially, on the physical processes that affect the energy conversion efficiency, such as carrier recombination. The proposed research here will focus on structural defects in BaZrS3 and related materials and their role in photovoltaic processes. First-principles calculations will be used to study carrier recombination centers and the degree of defect tolerance in these materials. This study will reveal the effects of intrinsic, extrinsic and interface defects on the band structure, electronic and photovoltaic properties of the chalcogenide perovskites. Methods for optimized doping of chalcogenide perovskites and defect passivation at the interfaces with other materials will be proposed. Through this project, important understandings that back the development of low-cost, high-efficiency, stable and environmentally friendly solar absorber materials will be established.

近年来，以CH3NH3PbI3为代表的低成本、高效率卤族钙钛矿太阳能电池受到广泛关注，但稳定性差以及含有害元素铅的两大问题成为阻碍其应用的主要障碍。探索高稳定且环境友好的钙钛矿吸光材料成为该领域一个前沿研究方向。申请人近期发现BaZrS3等无铅硫族钙钛矿材料作为太阳能电池吸光层具有优异的光学性质和稳定性。但是，目前对硫族钙钛矿材料光伏性质的认识还比较粗浅，尤其是载流子复合等影响转换效率的物理机制尚不清晰。本项目围绕BaZrS3及相关硫族钙钛矿材料，聚焦结构缺陷与光电转换关联性等关键问题，基于第一性原理计算，探讨硫族钙钛矿半导体材料中载流子复合中心的形成机理及缺陷容忍性等问题，深入研究本征缺陷、杂质和界面缺陷对能带结构、光电性质以及能量转换效率的影响机制，建立硫族钙钛矿半导体材料的掺杂优化与界面缺陷钝化的原理与方法，为发展低成本、高效率、稳定且环境友好的新型钙钛矿太阳能电池材料提供理论支撑。

钙钛矿半导体材料在光伏和光电领域得到了广泛应用，这得益于其在较低制备成本下所获得的高性能。但是，卤化物钙钛矿材料仍面临着稳定性低和含铅导致的毒性等问题。近年来，硫族钙钛矿材料因具有实验验证的高稳定性和环境友好性而获得关注。本项目以第一性原理计算为主要研究方法，研究内容包括对硫族钙钛矿材料的缺陷容忍性进行评估，对掺杂元素的选择，以及表面态的钝化等表界面性质。主要进展包括：1）明确了BaZrS3的缺陷容忍性可以通过材料制备时对化学势的调控来实现对深能级复合中心缺陷的抑制；2）以YScS3为例预测了对硫族钙钛矿材料实现p型和n型的双极掺杂；3）发现硫族钙钛矿材料表面具有自钝化的性质，可形成带隙大幅可调的准二维材料。主要研究成果发表在Mater. Horizons、Sci. China Mater.、J. Mater. Chem. A和Chin. Phys. Lett.等期刊。通过本项目的研究，对硫族钙钛矿材料中的缺陷容忍性在原子结构和电子结构层面获得了深入的认识，为半导体材料物理提供了新的认知，同时对这类材料在光电和光伏领域的应用提供了直接的指导。国际合作方面，在本项目的支持下，开展了与美国和新加坡等多个研究团队的长期合作研究，共同发表了Nano Energy、ACS Nano和J. Phys. Chem. Lett.等多篇论文。在本项目执行期间，负责人作为分会主席组织了美国材料研究学会（MRS）2018和2021春季年会中钙钛矿材料相关的EN15和EL03分会。在人才培养方面，四位研究生参与本项目的研究工作，已毕业硕士两名，转博两名，一人获得国家奖学金，三人在MRS年会等国际会议上做口头报告和墙报交流。