1. 研究目的与意义
研究背景：太阳能是取之不尽的清洁能源，然而目前广泛应用的光伏器件光电转换效率太低，通常不到30%。为了提高硅太阳能电池的转换效率，i.a. kuznetsov等人发现用过度金属氧化物可将转换效率提高5%。abo3型（a为碱土金属元素或稀土元素，b为过渡金属）铁电钙钛矿结构材料具有极好的电荷分离性质，如果调节其带隙到1.4 ev～1.5 ev范围，则适合用作光伏材料。最初，人们研制的光伏材料含铅。出于环保的考虑，人们开始研制无铅铁电钙钛矿光伏材料。目前大多数固态氧化物铁电体带隙大于3 ev，主要吸收紫外区域的太阳光谱，由于紫外光只含8%的太阳光谱，因此太阳能转换效率太低。研究发现通过掺杂可以改变无铅batio3的带隙：在用sr替代ba（掺杂浓度0.1～0.5）、zn替代ti（掺杂浓度0.01～0.05）进行实验时发现batio3的带隙随掺杂浓度的增大而增大；co替代ti（掺杂浓度0.01～0.1）等实验中发现batio3的带隙随掺杂浓度的增大而减小，但是在他们研究的掺杂浓度范围内化合物带隙依然大于3.0 ev，不能高效吸收太阳能。我们推测如果提高掺杂浓度，薄膜的带隙会进一步降低。我们拟用过度金属氧化物ni调制bati1-xnixo3薄膜的带隙到1.4 ev～1.5 ev，设计高效光伏材料。
研究目的：本课题拟用第一性原理方法，用不同掺杂浓度的ni替代ti位，研究带隙的变化，研究使其带隙降到1.4 ev～1.5 ev范围的掺杂浓度及位置。
研究意义：不同掺杂浓度的bati1-xnixo3会影响其带隙的变化，对用于制作太阳能电池具有重要的理论指导意义。
2. 研究内容和预期目标
主要研究内容：
（1） 用第一性原理方法确定未掺杂的batio3的基态晶体结构、电子结构，分析总态密度与分态密度、能带结构，计算带隙，并从态密度角度分析带隙来源。
（2） 研究不同掺杂浓度的bati1-xnixo3(x= 0.125、0.25、0.33、0.375、0.5、0.625、0.67、0.75、0.875、1)的总态密度与分态密度、能带结构，计算带隙，并从态密度角度分析带隙来源。
3. 研究的方法与步骤
| 拟采用的研究方法是第一性原理方法。研究步骤如下： (1)调研有关BaTiO3、BaNiO3、SrNiO3及Ni掺杂的理论和实验的文献资料。 (2)用第一性原理方法研究未掺杂的BaTiO3的基态晶体结构、电子结构，分析总态密度与分态密度、能带结构，计算带隙，从态密度角度分析带隙来源。 (3)用第一性原理方法分别就不同掺杂浓度(x= 0.125、0.25、0.33、0.375、0.5、0.625、0.67、0.75、0.875、1)的Ni替换Ti位，分析带隙的变化及其原因。 (4) 研究Ni及氧空位的排列方式对BaTi1-xNixO3薄膜的带隙、极性、透光性能的影响。
|
4. 参考文献
[1]. w. zhong, d. vanderbilt, k. m. rabe, first-principles theory of ferroelectric phase transitions for perovskites: the case of batio3 [j]. physical review b condensed matter, 1995, 52(9): 6301-6312.
[2]. k. johnston, x. huang, j. b. neaton, k. m. rabe, first-principles study of symmetry lowering and polarization in batio3/srtio3 superlattices with in-plane expansion [j]. physical review b, 2005, 71(10): 103.
[3]. m. k. niranjan, j. p. velev, c. g. duan, s. s. jaswal, e. y. tsymbal, magnetoelectric effect at the fe3o4 / batio3 (001) interface: a first-principles study [j]. physical review b, 2008, 78(10): 104405.
5. 计划与进度安排
(1) 2022-12-16～2022-02-28
复习固体理论和量子力学方面的有关知识；学习基本的linux命令；学习用material studio作晶体结构图；学习vasp软件的应用，学习如何建立输入文件，如何用vasp计算电子结构，如何从输出文件中获取需要的信息，如何用origin作态密度图。
(2) 2022-03-01～2022-03-13
