B位化学对铁酸铋系材料铁电光伏性能的调控

The power conversion efficiency (PCE) of ferroelectric perovskite oxides is not constrained by the Shockley-Queisser efficiency as in the traditional solar cells based on PN junctions. Furthermore, the photovoltaic properties could be modulated by the external electrical field, which offer a new route to develop new solar cells and photoelectric devices with both high efficiency and stability. This project will focus on the ternary solid solutions LaFeO3-BiFeO3-BaB1/3Nb2/3O3 and LaFeO3-BiFeO3-BaB1/2Nb1/2O3−δ, and the idea is to utilize B-site chemistry to lower the band gap and enhance the absorbability of visible light. The project will investigate the influence of electron configuration of different B-site elements (Ni, Zn, Mg) and the concentration oxygen vacancies on the band structure and electrical conductivity of ceramics and thin films. By optimizing the processing conditions, controlling the microstructure, modifying the band structure and electrode interface, we intend to find ways to improve the PCE, and modulate the photovoltaic properties by external electrical field. The achievement of the objective could pave a new path for the development of the ferroelectric solar cells.

钙钛矿铁电氧化物光伏效应的光电转化效率不受传统PN结太阳能电池最大效率的限制，而且其光伏特性还可以通过外场进行调控, 为发展高效稳定的太阳能电池提供了一个新的途径。对钙钛矿铁电氧化物的禁带宽度和光吸收性能进行调控是提高其铁电光伏效率的关键问题。本项目拟通过B位化学对铁酸铋系固溶体LaFeO3-BiFeO3-BaB1/3Nb2/3O3 和LaFeO3-BiFeO3-BaB1/2Nb1/2O3−δ 钙钛矿结构相进行调控，以降低其禁带宽度、增强光吸收性能、增加光电流密度。本项目将研究不同的B-位元素（Ni，Zn, Mg）的电子构型、氧空位浓度对能带结构和电导率的影响，同时优化陶瓷和薄膜材料的制备工艺和微观结构，来提高铁电材料的光电转化效率，并探讨电极配置对光伏性能的影响，以及外电场对光伏性能的调控作用。项目的成功将会为钙钛矿铁电光伏的开发和利用提供新的思路和方法。

铁电钙钛矿氧化物材料具有比卤化物钙钛矿高的多的环境稳定性，但宽禁带宽度限制了它们在太阳能电池当中的应用。本项目利用化学掺杂和缺陷设计，合成了几种超窄禁带宽度的铁酸铋基三元固溶体材料，特别是LM6和SM6样品，其禁带宽度可以调节低至1-1.3eV，这将非常有利于其应用于太阳能电池的光吸收材料，实现对更广谱段太阳光的吸收, 增强光电转换效率。本项目研究了不同的B-位元素（Ni，Zn, Mg）的电子构型、元素的化合价态、微观结构、以及氧空位浓度等因素对BiFeO3基三元固溶体能带结构和电导率的影响。除了采用固相法，本项目还通过溶胶凝胶法，在ITO导电玻璃上旋涂得到了单相的BFO和LM6的铁电薄膜。我们还利用过氧化氢前驱体溶液法制备了Ba0.95La0.05SnO3 透明电极材料。前驱体溶液法制备的粉体可以在700摄氏度完成晶化，极大的抑制了Sn元素变价与挥发造成的点缺陷，从而增加了光的透过率，有希望作为铁电体光伏太阳能电池的前窗口。这些研究成果都将为铁酸铋基铁电光伏性能的后续研究提供了新的思路和方法。