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西安交大科研人员在有机-无机铁电卤族钙钛矿材料设计研究中取得进展
2021-06-29 15:51
西安交通大学
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  太阳能是一种清洁、可再生的新型能源。光伏材料可以通过光电效应吸收太阳光,将太阳能转换成电能存储起来。在过去的十年中,以MAPbI3为代表的有机-无机卤族钙钛矿材料,因其超高的光电能量转换效率而备受关注。因为钙钛矿材料中产生的铁电极化可以极大地增强材料在光激发下载流子的分离能力,在很长的一段时间内,人们认为MAPbI3优异的光伏性能可能受益于由甲胺分子产生的铁电极化。然而,因缺乏直接的实验、理论证据,MAPbI3是否存在稳定的铁电极化仍饱受争议。因此,如何在具有三维周期性结构的有机无机卤族钙钛矿材料中引入稳定的铁电极化,则是一直未解决的问题。

  针对上述问题,西安交通大学前沿院缑高阳研究员与材料学院丁向东教授合作,提出在三维有机无机卤族钙钛矿材料引入不同价态的两种阴离子,利用多阴离子钙钛矿中各项异性配位环境而产生稳定铁电极化的新设计理念。借助第一性原理计算模拟,预测实验已合成的有机无机多阴离子钙钛矿MASbSI2为兼具I/S阴离子有序排布和稳定面外铁电极化的新型钙钛矿铁电光伏材料,并证实该材料因独特的块体光伏效应(bulk photovoltaic effect),其在可见光辐照下的光电流密度甚至可以超越MAPbI3,且光电流的方向可通过外加电场进行有效调控,实现可控的稳定光电流输出。MASbSI2不仅可以取代MAPbI3,成为环境友好的钙钛矿光伏材料,同时还将极大地拓展有机无机卤族钙钛矿光伏材料在铁电领域的应用前景。

  该研究工作近日以“Emergence of Bulk Photovoltaic Effect in Anion-ordered Perovskite Sulfur Diiodide MASbSI2 with Spontaneous Out-of-plane Ferroelectricity”为题发表于材料物理领域权威期刊Materials Today Physics 上。论文的共同第一作者为材料学院博士生赵民和美国麻省理工核科学与工程系汪华博士,缑高阳研究员和丁向东教授为共同通讯作者,西安交通大学为论文第一作者和通讯作者单位。该工作是在国家自然科学基金、西安交大基本科研业务费等项目资助下完成的,并得到了西安交大超算平台的大力支持。

  前沿院缑高阳研究员长期从事基于第一性原理对于铁性功能材料设计和计算模拟的研究。上述工作为缑高阳研究员继钙钛矿铁电硫化物[Nano Energy, 22 507-513 (2016)]和氮氧化物[Chem. Mater. 32, 2815−2823 (2020)]之后,在新型钙钛矿铁电光伏材料设计与性能模拟领域取得的又一重要成果。

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