西安交大科研人員在有機-無機鐵電鹵族鈣鈦礦資料設計研究中取得進展

在過去的十年中,以MAPbI3為代表的有機-無機鹵族鈣鈦礦資料,因其超高的光電能量轉換效率而備受關注。囙此,如何在具有三維週期性結構的有機無機鹵族鈣鈦礦資料中引入穩定的鐵電極化,則是一直未解决的問題。

太陽能是一種清潔、可再生的新型能源。光伏資料可以通過光電效應吸收太陽光,將太陽能轉換成電能存儲起來。在過去的十年中,以MAPbI3為代表的有機-無機鹵族鈣鈦礦資料,因其超高的光電能量轉換效率而備受關注。因為鈣鈦礦資料中產生的鐵電極化可以極大地增强資料在光激發下載流子的分離能力,在很長的一段時間內,人們認為MAPbI3優异的光伏效能可能受益於由甲胺分子產生的鐵電極化。然而,因缺乏直接的實驗、理論證據,MAPbI3是否存在穩定的鐵電極化仍飽受爭議。囙此,如何在具有三維週期性結構的有機無機鹵族鈣鈦礦資料中引入穩定的鐵電極化,則是一直未解决的問題。

針對上述問題,西安交通大學前沿院緱高陽研究員與資料學院丁向東教授合作,提出在三維有機無機鹵族鈣鈦礦資料引入不同價態的兩種陰離子,利用多陰離子鈣鈦礦中各項异性配比特環境而產生穩定鐵電極化的新設計理念。借助第一性原理計算類比,預測實驗已合成的有機無機多陰離子鈣鈦礦MASbSI2為兼具I/S陰離子有序排布和穩定面外鐵電極化的新型鈣鈦礦鐵電光伏資料,並證實該資料因獨特的塊體光伏效應(bulk photovoltaic effect),其在可見光輻照下的光電流密度甚至可以超越MAPbI3,且光電流的方向可通過外加電場進行有效調控,實現可控的穩定光電流輸出。MASbSI2不僅可以取代MAPbI3,成為環境友好的鈣鈦礦光伏資料,同時還將極大地拓展有機無機鹵族鈣鈦礦光伏資料在鐵電領域的應用前景。

該研究工作近日以“Emergence of Bulk Photovoltaic Effect in Anion-ordered Perovskite Sulfur Diiodide MASbSI2with Spontaneous Out-of-plane Ferroelectricity”為題發表於材料物理領域權威期刊Materials Today Physics上。論文的共同第一作者為資料學院博士生趙民和美國麻省理工核科學與工程系汪華博士,緱高陽研究員和丁向東教授為共同通訊作者,西安交通大學為論文第一作者和通訊作者單位。該工作是在國家自然科學基金、西安交大基本科研業務費等專案資助下完成的,並得到了西安交大超算平臺的大力支持。

前沿院緱高陽研究員長期從事基於第一性原理對於鐵性功能資料設計和計算類比的研究。上述工作為緱高陽研究員繼鈣鈦礦鐵電硫化物[Nano Energy,22 507-513(2016)]和氮氧化物[Chem. Mater. 32,2815−2823(2020)]之後,在新型鈣鈦礦鐵電光伏資料設計與效能類比領域取得的又一重要成果。

論文連結:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529321001206

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