钙钛矿BiJO3 （J=Al/Ga/Sc）的结构与光电特性DFT研究及其固态光伏应用潜力

本研究针对铅基钙钛矿毒性问题，采用第一性原理计算（DFT）系统分析了BiAlO3 、BiGaO3 和BiScO3 的结构稳定性（空间群Pm3m）、半导体特性（带隙0.72-1.47 eV）及紫外区强吸收特性，证实其机械稳定性（Pugh比B/G）与负形成能（-5.876至-6.860 eV），为开发无毒高效固态光伏材料提供理论依据。

　　

在能源转型与绿色科技发展的浪潮中，寻找高效无毒的光伏材料成为材料科学界的核心挑战。传统铅基钙钛矿虽具优异光电性能，但其生物毒性制约了大规模应用。与此同时，宽禁带半导体材料在紫外光区的低效利用问题长期存在。针对这些痛点，研究人员将目光投向铋基钙钛矿氧化物——这类材料不仅具备环境友好特性，其特殊的电子结构还可能解锁新的光电转换机制。

来自国内研究团队通过密度泛函理论（DFT）系统研究了BiJO₃
（J=Al, Ga, Sc）系列钙钛矿的物理特性。研究采用全电势线性缀加平面波法（FP-LAPW），基于广义梯度近似（GGA-PBE）交换关联势，计算揭示了三种材料的立方晶系结构（空间群Pm³
m）与5原子单胞特征。通过体积优化获得晶格常数（3.781-4.060 ?），结合0.73-0.81的容忍因子和显著负的形成能（-5.876至-6.860 eV），证实材料具有热力学稳定性与实验合成可行性。

关键实验技术包括：1）基于FP-LAPW的电子结构计算；2）弹性常数矩阵分析（C₁₁
, C₁₂
, C₄₄
）；3）光学参数计算采用Kramers-Kronig变换；4）机械稳定性通过Born-Huang准则验证；5）热力学性质通过准谐德拜模型评估。

【结构特性】
晶格优化显示BiScO₃
具有最大单胞体积（67.120 ?³
），而BiAlO₃
晶格常数最小（3.781 ?）。立方结构的原子排布中，Bi占据体心位置（0.5,0.5,0.5），过渡金属（Al/Ga/Sc）位于面心（0.5,0.5,0），氧原子分布在原点（0,0,0）。这种排列方式为载流子传输提供了各向同性通道。

【电子特性】
能带分析揭示三者均为直接带隙半导体：BiGaO₃
（1.22 eV）和BiAlO₃
（1.47 eV）的带隙值位于理想光伏材料区间，而BiScO₃
（0.72 eV）可能适用于近红外探测。态密度分析表明价带顶主要由O-2p轨道贡献，导带底则源于Bi-6p与过渡金属d轨道的杂化。

【机械特性】
弹性常数计算满足立方晶系稳定性条件（C₁₁
-C₁₂

0, C₁₁
+2C₁₂
0）。Pugh比值（B/G）显示BiGaO₃
（1.82）具有最佳延展性，泊松比（ν）在0.25-0.28区间表明材料具有适中的塑性变形能力。

【光学特性】
介电函数计算显示在紫外区（<400 nm）存在显著吸收峰，折射率n(0)介于2.1-2.3之间。BiScO₃
在3.5 eV处出现最强吸收系数（>10⁵
cm^-1
），表明其适合用作紫外光电器件涂层材料。

研究结论指出，BiJO₃
系列材料通过能带调控可实现从可见光到近红外的光谱覆盖，其机械稳定性（剪切模量μ_M

50 GPa）保障了器件加工可行性。特别是BiGaO₃
兼具适宜带隙与高吸收系数，是最具光伏应用潜力的候选材料。该工作为设计无铅钙钛矿光伏器件提供了完整的理论框架，其揭示的Bi-6p轨道参与导带形成的特殊机制，为开发新型光敏材料开辟了新思路。论文发表于《Materials Research Bulletin》，受到沙特努拉公主大学研究支持项目（PNURSP2025R55）资助。