基于高压技术调控铁电材料微结构及光伏性能的研究

Ferroelectric materials process extremely large resistivity and low photovoltaic (PV) conversion efficiency which limits its application in the solar cells. Up to now, the ferroelectric materials with narrow bandgap (Eg) are really scarce. It is highly desired to exploit new ferroelectric photovoltaic materials with narrow Eg and high PV performance. In early 2017, we have first reported the simultaneous enhanced ferroelectric and photoelectric properties of room-temperature multiferroic KBiFe2O5. Four times enhancement in ferroelectric polarization and photocurrent under visible illumination has been achieved by applying hydrostatic pressure. These findings may open a new avenue to discovering and designing optimal ferroelectric compounds for solar energy applications. In this proposal, the research work will be focused on the preparation of new ferroelectric oxides with high PV performance based on microstructure modification and physical property adjustment of ferroelectric materials by high-pressure technology. The specific studies including: (1) Stabilization of KBiFe2O5 high-pressure phase under ambient pressure by high-pressure quenching and the enhanced PV performance via pressure-induced recrystallization. (2) High-pressure studies on the known ferroelectric materials with narrow Eg, tried to expound the regularity of pressure effect on microstructure and spontaneous polarization of ferroelectric materials and realize the controllability of spontaneous polarization and optimization of PV property. (3) Preparation of new ferroelectric oxides with high PV performance through DAC high-pressure technology combined with laser heating.

铁电材料受限于较高的电阻率和极低的光电转换效率而无法应用于光伏，具有窄禁带的高性能铁电材料稀缺，亟需开拓具有高载流子浓度以及在可见光区有较大响应的新型铁电光伏材料。申请人于2017年初发表了对窄带隙铁电材料KBiFe2O5的高压研究，成功实现了材料铁电、光伏性能的同时增强。本项目拟通过外加压力调控铁电材料微结构和物理性能的思路，制备出性能更优的新型窄带隙铁电光伏材料，探究压力对铁电自发极化及光伏性能的影响机制，实现铁电材料光伏性能的提升。研究内容：（1）采用快速泄压的方式在常压下稳定KBiFe2O5高压结构相，通过压力调控材料结晶度，实现光伏性能的进一步提高。（2）对已知窄带隙铁电材料进行高压研究，阐明压力对材料的微结构和极化强度的影响规律，实现自发极化的可控调节与光伏性能的优化。（3）通过DAC高压技术结合激光加温方法，探索制备新型窄带隙铁电光伏材料的有效途径，优化材料物理性能。

目前虽然对新型窄带隙铁电材料的探索和现有铁电材料光伏性能的优化研究上已有了许多重要成果，但铁电材料光伏效率依然很低，这主要是由于缺乏有效手段来同时优化铁电材料的铁电性与导电性。高压技术能够有效调控材料的晶体结构和电子构型，从而改变材料的物理和化学性质。我们之前已通过金刚石压砧（DAC）技术研究了高压条件对铁电材料KBiFe2O5晶体结构与光伏性能的影响，成功实现了材料铁电性和可见光响应的同时增强。因此，我们提出利用DAC高压技术，通过外加压力来调控铁电材料的微结构与物理性能，制备出常压稳定的、具有窄禁带的新型铁电光伏材料，最终实现对铁电材料光伏性能的优化。通过本项目的实施，已取得的重要结果有：1、通过铁电自发极化调控已知窄带隙铁电材料KBiFe2O5，Bi2WO6，BiFeO3，BaTiO3的微结构与物理性能，优化了铁电材料在常压下的光电性能；2、借助高压技术手段，验证了一种新型窄带隙室温铁电材料[C6N2H18][SbI5]，并实现了通过铁电极化调控材料的光电性能；此外，依据四面体配位场调控铁电材料禁带宽度的思路，证实了具有四面体配位的铁酸盐BaFe4O7是一种不含挥发性元素且具有窄带隙和显著光电性能的新型室温铁电材料；3、利用高压技术对已知窄带隙光电材料PbBiO2X、Ba2Fe4O9、Bi9O7.5S6的微结构与物理性能进行了调控，实现了材料光电性能的提升，拓展了窄带隙光伏材料的结构种类；4、在已获得实验结果的基础上，结合第一性原理计算，验证了不同压力条件下光电材料的微结构转变及带隙演化，揭示了光生载流子在自发极化作用下的分离与扩散机制，为设计新型窄带隙光伏材料提供了理论基础。目前为止，已发表了标注本课题基金资助的SCI论文25篇（其中2篇为相关杂志封面文章），申请专利10项（其中已授权专利8项），完成了本项目的预定目标。