数据驱动发现新型高性能四元化硫化物光伏材料
材料科学
2025-07-22 v1
摘要
光伏材料通过利用光与物质之间的相互作用将阳光转化为电能，提供了环保且高性价比的能源解决方案。将数据驱动方法与静态及时序密度泛函理论以及非绝对分子动力学模拟相结合，我们从已知的四元化物半导体系列中预测了14种高性能光吸收材料。其中，我们详细研究了四个化合物：SrCuGdSe3、SrCuDyTe3、BaCuLaSe3和BaCuLaTe3。包括自旋轨道耦合的混合密度泛函理论计算表明，SrCuGdSe3、SrCuDyTe3、BaCuLaSe3和BaCuLaTe3分别具有直接带隙为1.65 eV、1.79 eV、1.05 eV和1.01 eV。这些带隙值接近适用于可见光吸收的优化范围。因此，这些化合物计算得到的光学吸收系数和光谱限制最大效率与结晶硅、GaAs和甲基铜胺铅氟化物相当或更大。对这些化合物计算的激子结合能相对较小（30-32 meV），意味着电子-空穴对易于分离，从而实现更高的功率转换效率。对光激发载流子动力学的研究表明，这些化合物具有较长的载流子寿命（约30-40 ns），这表明抑制了非辐射复合，提高了光转化效率。我们进一步确定了这些化合物的缺陷形成能，发现尽管可能形成阳离子空位和间错缺陷，但中带隙态仍不存在，这些缺陷对载流子复合没有不利影响。我们的理论预测邀请实验验证，并鼓励进一步研究这些化合物及类似化合物在该四元化物半导体系列中的应用。
引用
@article{arxiv.2507.15430,
title = {Data-driven Discovery of Novel High-performance Quaternary Chalcogenide Photovoltaics},
author = {Nikhil Singh and Mohammad Ubaid and Pabitra Kumar Nayak and Jiangang He and Dibyajyoti Ghosh and Chris Wolverton and Koushik Pal},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.15430},
year = {2025}
}