【摘 要】
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为了克服铅卤钙钛矿带来的稳定性问题和环境问题,研究人员积极探索无铅钙钛矿材料。无铅钙钛矿以其较低的毒性和环境友好性引起了广泛关注。许多无铅钙钛矿材料已经被开发出来,并表现出不错的光电性能。然而,无铅钙钛矿材料仍然存在一些局限性。首先,目前无铅钙钛矿的光电转换效率相对较低,与铅卤钙钛矿相比有一定差距。其次,无铅钙钛矿的长期稳定性和耐候性仍然有待解决。无铅钙钛矿仍需要更多的研究和创新来克服这些问题,以
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为了克服铅卤钙钛矿带来的稳定性问题和环境问题,研究人员积极探索无铅钙钛矿材料。无铅钙钛矿以其较低的毒性和环境友好性引起了广泛关注。许多无铅钙钛矿材料已经被开发出来,并表现出不错的光电性能。然而,无铅钙钛矿材料仍然存在一些局限性。首先,目前无铅钙钛矿的光电转换效率相对较低,与铅卤钙钛矿相比有一定差距。其次,无铅钙钛矿的长期稳定性和耐候性仍然有待解决。无铅钙钛矿仍需要更多的研究和创新来克服这些问题,以实现无铅钙钛矿在光电领域的广泛应用。以此为背景,本文在Ruddlesden-Popper型钙钛矿Y2Ti2O5S2中系统的研究了影响光电转换效率的两个主要物理性质:光吸收和载流子传输。首先该类型钙钛矿已在实验上稳定存在甚至被应用到光催化全水解中,说明其有远超铅卤钙钛矿的稳定性。其次,它已被实验测量与铅卤钙钛矿有一样低的载流子复合率。运用第一性原理,本工作证实了该材料内载流子的二维输运的特征,并在Y2Ti2O5S2中从激发态动力学的角度证实了该材料的电子-空穴的分开输运属性。详细研究了分子热动力学过程中波函数的动态特征。并基于波函数重叠研究光学跃迁的路径,找到了该材料真正发挥光吸收作用的波函数分布。于是围绕实验中测得的该材料的光电性质,即高效率,长载流子寿命,低的光吸收,分别进行系统研究如下:1.发现了X2Ti2O5S2（X=Sc,Y,La）材料内的载流子的高速输运通道:二维类自由电子气分布,解释了Y2Ti2O5S2相对高效的全水解效率。通过分析电子局域函数（ELF）,发现在X2Ti2O5S2的钙钛矿层存在0.2＜ELF＜0.7的连续分布区域,并且在xy平面内延伸开来。通过对比bulk相和2D相中高速输运通道内载流子的浓度,证明了载流子浓度对载流子复合的影响。同时通过分析ELF公式,认为ELF值也可描述载流子复合的相关问题,从侧面印证了高速输运通道的合理性。2.为了进一步解释实验中的高效水解和长的载流子寿命,研究了对载流子寿命起决定性作用的电声耦合作用,并通过消除Y2Ti2O5S2靶层（岩盐层）电声耦合实现材料总的电声耦合的降低,进一步延长载流子寿命。本文通过分析波函数的分布和重叠特征,并结合电声耦合的声子影响谱,找到了对电声耦合起主要作用的波函数分布位置——岩盐层。通过替换原子或添加原子的方法,对波函数的分布进行微调,实现岩盐层电声耦合的消除。这里,人工设计的材料Ba3Zr2O5S2的电声耦合被降低到和铅卤钙钛矿同一水平,进一步的,载流子寿命也被延长数倍。3.由于该材料光吸收较弱,从电子跃迁的角度给出了光吸弱的原因,并确定了该类材料的光学跃迁路径,同时通过改变或加强该路径实现了光吸收的大幅提升。通过分析材料中带边波函数的重叠程度,确定了电子发生光学跃迁的主要空间位置,即岩盐层的Y和S原子间的区域。Y和S之间的弱的波函数重叠很好的解释了Y2Ti2O5S2的低光吸收的原因。通过人工设计Sr3Zr2O5Te2改变了岩盐层的波函数重叠,实现光学跃迁的大幅提升,进而实现光吸收的大幅提升。并同时实现载流子寿命的延长。除此之外,本文探索的物理机制不仅适用于该类型钙钛矿,还广泛适用于其它半导体材料。因此,本文还计算了其它硫属化合物如Cu2SnS3的光学跃迁和载流子寿命,以寻找该类材料最优构型。
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