NaSbSe2三元硫族化合物的计算筛选及其在光伏与热电应用中的多功能特性研究

本研究通过密度泛函理论(DFT)和玻尔兹曼输运理论，系统分析了NaSbSe2单斜相与三角相的结构稳定性、电子能带(间接带隙1.102 eV/准直接带隙1.107 eV)、光学吸收系数(～105 cm?1)及热电性能(ZT值优化)，揭示其兼具光伏转换效率提升(载流子寿命延长)与废热发电(低晶格热导率0.6 Wm?1K-1)的双重潜力，为开发环保型PV-TE杂化系统提供新材料范式。

　　

随着全球对清洁能源需求的急剧增长，传统光伏材料如CdTe(镉毒性)、钙钛矿(铅污染/热不稳定性)和Bi₂Te₃(带隙过窄)面临环境与性能瓶颈。与此同时，热电材料领域长期受限于"高电导-低热导"的相互制约关系。如何开发兼具高效光吸收(1.1-1.7 eV带隙)与优异热电转换(ZT>1)特性的环境友好材料，成为能源材料科学的重大挑战。

针对这一难题，拉杰沙希大学物理系的研究团队通过计算材料学手段，首次系统研究了NaSbSe₂单斜相(C2/c)和三角相(R₃m)的多尺度物性。研究发现：单斜相具有1.102 eV间接带隙与1.107 eV准直接带隙的独特双带隙特征，其超高光吸收系数(10⁵ cm^?1)和低电子-空穴有效质量显著提升载流子分离效率；三角相则展现出极低晶格热导率(源于高Grüneisen参数和软声子模式)，在n型掺杂(10²⁰ cm^?3)时获得300 μVK^-1塞贝克系数。这种"一材双效"特性使NaSbSe₂成为构建光伏-热电(PV-TE)杂化系统的理想候选材料，相关成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》。

研究采用三大关键技术：1)CASTEP代码的DFT-PBE泛函计算晶体结构与力学性能；2)修正Beck-Johnson(mBJ)势精确修正带隙；3)玻尔兹曼输运理论结合形变势方法预测热电参数。

【结构特性】
单斜相(a=8.326 ?, β=122.37°)和三角相(a=3.977 ?, c=20.260 ?)均满足力学稳定性判据(C₁₁-C₁₂>0)。电荷密度分析揭示晶体中存在Na-Se离子键与Sb-Se共价键的混合键合特征。

【电子性能】
单斜相呈现间接带隙(Γ→Z)1.102 eV与准直接带隙1.107 eV，后者可延长少数载流子寿命达纳秒级；三角相带隙0.734 eV更适于中红外光电应用。有效质量计算表明两者均具有高载流子迁移率。

【光学响应】
各向异性介电函数显示单斜相在可见光区双折射率Δn≈0.15，反射率<20%表明抗反射层需求降低。吸收边陡峭特征有利于全光谱利用。

【热电性能】
单斜相n型在10²⁰ cm^?3掺杂时获得峰值ZT=0.82(800K)，源于低晶格热导率(1.2 Wm^?1K^-1)；三角相p型在10²¹ cm^?3时功率因子达4.5 mWm^?1K^-2。

该研究首次阐明NaSbSe₂多晶相在宽温域(300-800K)的协同优化机制：单斜相的光伏特性与三角相的热电性能形成互补，其环境友好特性(无铅/镉)和元素丰度优势，为设计自供电型能源器件提供新思路。研究提出的"准直接带隙增强载流子寿命"机制与"声子非谐性调控热导"策略，对开发新一代杂化能源材料具有普适指导意义。