【摘 要】
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半导体异质结在光催化制备氢能源和光伏发电等领域表现出了强大的潜力,被认为是最具有前景的新能源制备材料之一。然而目前半导体异质结种类繁多、装配技术复杂,筛选具有优秀性能异质结的实验工作量大且难度高,急需理论工作的指导。半导体异质结的光催化和光伏性能主要取决于其电子结构和光学性质。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算能有效预测以上两种性质,是研究半导体异质结光催化和光伏性能的强大工具。本文选取B
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半导体异质结在光催化制备氢能源和光伏发电等领域表现出了强大的潜力,被认为是最具有前景的新能源制备材料之一。然而目前半导体异质结种类繁多、装配技术复杂,筛选具有优秀性能异质结的实验工作量大且难度高,急需理论工作的指导。半导体异质结的光催化和光伏性能主要取决于其电子结构和光学性质。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算能有效预测以上两种性质,是研究半导体异质结光催化和光伏性能的强大工具。本文选取B2 0/Ag 3PO 4,GaX/SnS 2（X=S,S e）两种异质结作为研究对象,采用第一性原理计算研究了其电子结构和光学性质,具体内容如下:（1）研究了硼纳米团簇B2 0、Ag3PO 4以及B2 0/Ag 3P O 4异质结的能带结构、光学性质、界面电荷转移等性质。同B2 0和Ag3PO 4对比发现,B2 0/Ag 3PO 4异质结的禁带宽度大幅减小。带隙的减小使异质结的光吸收谱发生红移,并使其在可见光范围内吸收强度大幅提升,从而提高了对太阳能的利用率。B2 0/Ag 3PO 4异质结在界面形成了Ⅱ类能带排列,能大幅地降低光生电子和空穴的复合率,提高了量子产率。此外,为了量化该异质结的界面势能,提出了基于莫尔斯函数的拟合方法。对多种硼纳米材料异质结进行对比研究表明,该方法不局限于预测B2 0/Ag 3PO 4异质结的界面势能强度。以上结果首次揭示了界面相互作用的本质,对设计具有新颖性质的硼纳米结构器件具有重要意义。（2）研究了二维层状材料Ga X（X=S,Se）、SnS2以及二维GaX/SnS2异质结的能带结构、光学性质、太阳能转换效率等性质。与耦合前的各组分相比,异质结的带隙明显减小,增强了其对可见光的吸收能力。界面处的II类能带排列将促进载流子从一种组分转移到另一种组分,从而提高GaX/SnS 2中电子和空穴的分离速率,加速光生电流的产生。利用杂原子掺杂方法,特别是N原子掺杂可以显著提高二维GaX/SnS2异质结的太阳能转换效率（PCE）至16%（相比原始异质结提升了162%）。以上结果表明,杂原子掺杂是开发高效二维异质结光电器件的一种有效方案。
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