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钙钛矿型铁电体是一类重要的功能材料,因其结构特点和化学简单性而表现出较大的掺杂容忍度,可在指定格位上进行离子替换来改变它的对称性、载流子浓度和光学带隙（Eg）等,从而调制并诱发多种特异性质,在信息存储和能量转换方面应用广泛,已成为当今凝聚态物理学研究和高新技术研究的前沿和热点之一。在光伏领域,铁电体的强大吸引力主要表现在铁电光伏效应的发现和应用。然而,大部分已知的铁电体都是宽带隙（>3.0 eV）材料,也就仅能吸收太阳光谱中的少量高能光子。因此,探求可以扩展吸光区域的窄带隙铁电体将是实现低成本、高能效的颇为可行路径。本论文从带隙工程概念出发并立足于国际上权威的理论计算研究成果,对系列经典铁电体进行化学改造,采用多种技术手段制备并表征了BiFe O3（BFO）、PbTiO3（PTO）、BaTiO3（BTO）和KNbO3（KNO）的衍生材料。实验结果不仅验证了理论预言的正确性还为研发可控微结构和高光电效率的新型电池材料提供了新想法。本研究工作主要取得的创新性成果包括以下几点:1.A位稳定性更高的稀土元素Sm和B位磁性过渡金属Mn对BFO进行掺杂改性。选择溶胶-凝胶（Sol-Gel）技术在石英基底上制备了Bi1-xSmx Fe1-yMnyO3（BSFMO）多晶薄膜,重点研究了薄膜的带宽和磁性对于组分的依赖关系。X射线衍射（XRD）数据表明,生长在石英基底上的BSFMO薄膜为多晶菱形钙钛矿结构,定位元素替代为Sm替代Bi,Mn替代Fe。伴随Sm和Mn含量的增大,布拉格衍射峰移向更高角度,说明薄膜的面间距减小。通过Williamson-Hall分析法计算薄膜内应力,表明了因Sm/Mn引入晶格内而受张应力作用,致使薄膜的晶格发生收缩。扫描电子显微镜（SEM）的测试分析显示,薄膜样品的表面平整光滑、孔洞少且随着掺杂浓度提升,薄膜质量可得到很大改善。透射光谱表明,随着Mn元素的掺入,薄膜样品的吸收边红移,对应于带宽窄化,主要归因于Mn离子替换Fe离子引入了带尾态进入禁带;而随着Sm3+的掺入,薄膜样品的吸收边却蓝移,说明样品的Eg出现宽化,这可通过伯斯坦-莫斯效应来解释。磁滞曲线显示,薄膜的磁性随着替代离子含量的增加而变强,BSFMO膜的饱和磁化Ms和Sm含量（x）的关系服从Ms=（24.84x+0.92）emu/cm3。其可归因于掺杂引起的晶格内应力,应力变大直接导致晶格畸变,更大的自旋倾斜,破坏螺旋反铁磁结构,诱发铁磁性。2.Pb(Ti1-xMx)O3-δ（PTMO,M=Ni,Pd）陶瓷和薄膜的制备以及光学和磁学性质的研究。实验发现,所制备的材料不仅在可见光波段较强吸收而且表现出明显的铁磁有序,其在太阳能和磁电存储等领域潜在应用价值。离子掺杂驱动的结构相变伴随着多重磁性转变和带隙窄化效应已在制备的PTMO样品中被观察到。随着d8 M2+掺杂量的增加,PTMO不仅表现出赝四方到中心对称的立方结构相变,还呈现出晶粒细化现象。此外,在从纯PTO到PTMO的组分变化过程中,对应样品的磁性经历了从抗磁到铁磁再到顺磁性的系列转变,主要归因于铁磁-反铁磁的竞争。PTMO样品的Eg比PTO要小很多,最低值为2.33 eV。能带结构分析表明,这种带隙窄化机制是以低价M2+离子置换了B位的Ti4+离子,导致晶格中出现氧空位（Vo）,同时还引入了杂质能级（位于原来的价带顶O 2p能级之上、费米能级之下）,其共同作用降低了PTO的Eg。PTO的光学及磁学性质可以因离子替代而同时得到改善,原因在于引入的新的d轨道。对于BO6结构化合物,B阳离子的d轨道分化成t2g（简并度3）和eg（简并度2）。由于Ti4+具有强铁电性,其非中心离子位移导致了沿z方向的Ni-O,Pd-O间距的变化,改变了本征材料的能带结构。另一方面,高自旋态(t62geg2,S=1)d8在PTO非磁性体系下的磁性诱导方面起着重要作用。这些也表明了光学和磁学性质间存在着本质区别。3.通过成分替换路径调制BTO的结构和物性,使用固相反应法和Sol-Gel技术分别制备了Ba(Ti0.75Ce0.125Ni0.125)O3-δ（BTCNO）和Ba(Ti0.75Ce0.125Pd0.125)O3-δ（BTCPO）陶瓷和薄膜。结果表明BTCNO和BTCPO具有窄带隙和铁磁性质。借助于XRD、X射线光电子能谱（XPS）、能量色散X射线光谱（EDX）、拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）、SEM、光学吸收和透射光谱、振动样品磁力仪等测试手段对材料微结构、价态、组分以及光磁学特性进行研究。薄膜的布拉格衍射峰被索引为钙钛矿立方相,而薄膜的平均粒径只有几十纳米。拉曼光谱表现出晶体结构的立方对称性因为掺杂而局部降低,严重偏离理想的Pm3m空间群,可能归因于增大的晶格内应力作用。适量的离子替代可大幅度降低BTO（Eg3.5 eV）的带隙。对于BTCNO薄膜,其Eg最低值为2.5 eV;对于BTCPO薄膜,最低的Eg为2.21 eV。这种离子掺杂诱导的带隙窄化现象是由氧空位稳定的镍和钯离子(Ni2+-Vo-Ni2+,Pd2+-Vo-Pd2+)作用在电子结构中出现了新的轨道能级,即被电子占据的最高己占轨道（HOMO）和未被电子占据的最低空轨道（LUMO）能级。此外,BTCNO和BTCPO表现出典型的磁滞回线,其在室温条件下,具有饱和磁化和矫顽场的良好结合。这种磁性行为可以用F中心交换机制来加以解释。4.吸收可见光的钙钛矿结构铌酸钾系铁电氧化物[KNbO3]1-x[BaNi1/2Nb1/2O3-δ]x（KBNNO）和[KNbO3]1-x[BaCo1/3Nb2/3O3]x（KBCNO）的合成及功能性质研究。该类材料同时具备可控可调节低带隙、铁电和铁磁有序,其很有希望成为解决传统铁电体低吸收、高能隙等问题的候选材料。选取低价无毒的氧化物或碳酸盐为原料合成单相固态化合物KBNNO。其在可见光波段具有强吸收性,Eg可调至太阳电池材料的带隙最佳值（1.4 eV）。通过分析其能级结构,可知带隙的改变主要源于变价离子掺杂所引发的结构弛豫和电荷交换作用。KBNNO除了独特的光学性能外,还同时表现出室温铁电有序和铁磁有序。进一步通过构建离子位移模型和磁极化子模型对其磁电产生机制做了分析解释。遗憾的是,尽管赝立方结构的KBNNO材料表现出自发极化,但是空位缺陷多,漏电流密度大。为了避免材料自身电荷补偿带来的氧空位,本实验设计合成了KBCNO材料,其直接带隙在1.333.26 eV之间连续可调且在特定组分下实现了铁电磁性共存。这类材料有望打破铁电体光伏效率的限制,成为极具潜力的太阳电池中的可见光吸收层材料。