【摘 要】
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随着新型光电材料在太阳能光伏技术领域取得的突出进展,人们对太阳能光伏新材料的需求也在不断提高。钙钛矿材料因其具有良好的光、电和磁学性能而备受瞩目。与有机-无机杂化钙钛矿相比,氧化物钙钛矿表现出了更加优异的化学稳定性和热稳定性,同时,窄带隙氧化物钙钛矿材料可以获得更宽的光谱吸收范围,更重要的是氧化物钙钛矿铁电半导体可以单片式集成铁电体光伏与半导体p-n结光伏,有望突破半导体光伏的Shockley-Q
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（项目号61771122和11704065）；
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随着新型光电材料在太阳能光伏技术领域取得的突出进展,人们对太阳能光伏新材料的需求也在不断提高。钙钛矿材料因其具有良好的光、电和磁学性能而备受瞩目。与有机-无机杂化钙钛矿相比,氧化物钙钛矿表现出了更加优异的化学稳定性和热稳定性,同时,窄带隙氧化物钙钛矿材料可以获得更宽的光谱吸收范围,更重要的是氧化物钙钛矿铁电半导体可以单片式集成铁电体光伏与半导体p-n结光伏,有望突破半导体光伏的Shockley-Queisser理论极限。本论文的内容将围绕双钙钛矿结构氧化物材料展开,利用改进的固相反应电子陶瓷工艺的方法,制备了一系列双钙钛矿结构铁性半导体材料,主要研究这些材料的光、电和磁学性能,主要开展以下几个方面的工作:Mn4+替代BiFeO3基氧化物钙钛矿材料的制备:采用改进的固相反应电子陶瓷工艺制备了0.50BiFeO3-0.25A1MnO3-0.25A2TiO3（A1=Ca、Sr、Ba/A2=Sr、Ba、Pb）系列陶瓷,室温拉曼散射光谱测试表明这些固溶体钙钛矿空间中心反演对称破缺,具有铁电性。紫外-可见-近红外反射光谱测试表明它们是禁带宽度Eg在0.75-1.0 e V范围的直接带隙半导体,变温电学测试表明电阻率在～104Ω·m（40℃）量级,磁学性能测试表明除0.50BiFeO3-0.25SrMnO3-0.25Sr TiO3具有反铁磁性外其余组分均具有铁磁性。Co2+、Mg2+替代BiFeO3基氧化物钙钛矿材料的制备:采用改进的固相反应电子陶瓷工艺制备了0.49BiFeO3-0.26Ba TiO3-0.25(Sr1-xBax)(A1/3Nb2/3)O3（A=Co、Mg）单相钙钛矿陶瓷,室温拉曼散射光谱测试表明这些固溶体钙钛矿空间中心反演对称破缺,具有铁电性。反射光谱测试表明Co2+替代的固溶体钙钛矿Eg～0.9 e V,在紫外-可见-近红外波段有良好的光吸收水平,而Mg2+替代的固溶体钙钛矿Eg～2.0 e V。0.49BiFeO3-0.26Ba TiO3-0.25(Sr0.6Ba0.4)(Co1/3Nb2/3)O3钙钛矿的变温电学测试表明电阻率在～104Ω·m（40℃）量级,0.1mol%MnO2掺杂0.49BiFeO3-0.26Ba TiO3-0.25(Sr0.6Ba0.4)(Mg1/3Nb2/3)O3陶瓷性能r=460,tanδ=0.03,能够在高温8 k V/mm极化场强下保压15分钟。氧化物钙钛矿光伏电池的设计:从材料的性能分析,Mn、Co离子替代BiFeO3基固溶体钙钛矿铁电半导体适合用于研制太阳能光伏电池。p区可选用0.50BiFeO3-0.25A1MnO3-0.25A2TiO3（A1=Ca、Sr、Ba/A2=Sr、Ba、Pb）等含A位空位的固溶体钙钛矿,n区则选用（Bi La）Fe O3-Ba(B1/2Nb1/2)O2.75(B=Ni2+、Mg2+、Zn2+)等含氧空位的固溶体钙钛矿,以此来探索制备p-n结的方法。此外,采用固相反应电子陶瓷工艺制备了可用于太阳能光伏电池窗口材料的Ba0.95La0.05Sn O3透明导电钙钛矿,它在400-1300 nm波段内有宽广的太阳光谱透过率。
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