掺杂钛酸钡：通过能带调控与氧空位工程提升铁电光伏性能

《Thin Solid Films》：Doped barium titanate for enhanced ferroelectric photovoltaic performance

本文系统研究了A位La掺杂与B位Mn-Nb共掺杂对钛酸钡(BTO)铁电光伏性能的协同优化机制。通过水热法合成掺杂BTO纳米颗粒，发现掺杂可有效缩小带隙（最低至2.30 eV）并增加氧空位浓度，显著提升载流子迁移率与光吸收能力。其中Mn-Nb共掺杂器件获得0.58 A·m-2的短路电流密度(Jsc)，证明位点选择性掺杂是突破BTO基铁电光伏材料性能瓶颈的有效策略。

　　

亮点

通过A位La掺杂和B位Mn-Nb共掺杂协同调控，成功实现钛酸钡(BTO)铁电光伏材料的能带窄化与电导率提升，获得创纪录的0.58 A·m^-2短路电流密度(J_sc)。

章节摘要

合成方法

采用水热法成功制备系列掺杂BTO纳米粉体，包括A位La掺杂的(Ba_1-xLa_x)TiO₃（x=0.1%-0.5%）和B位Mn-Nb共掺杂的Ba(Ti_1-2yMn_yNb_y)O₃（y=2.5%-7.5%），所有原料均为分析纯试剂。

结果与讨论

X射线衍射(XRD)图谱证实所有掺杂样品均保持单一钙钛矿相结构，属于四方晶系(P4mm)。随着掺杂量增加，晶格常数和晶胞体积呈现规律性变化（图1C）。XPS分析揭示La掺杂与Mn-Nb共掺杂均能显著提升氧空位浓度，通过电荷补偿机制增强材料导电性和载流子迁移率。

结论

本研究通过精准的位点选择性掺杂，实现BTO铁电光伏材料带隙从3.2 eV显著窄化至2.30 eV，同时利用氧空位工程提升电导率。Mn-Nb共掺杂样品展现出0.58 A·m^-2的超高短路电流密度，为开发高效无铅铁电光伏器件提供了新范式。