太陽能電池材料CuInS_2帶隙的缺陷調制研究

【摘要】：黃銅礦結構CuInS_2是一種性能優(yōu)良的薄膜太陽能電池材料，具有吸收效率高、無毒、成本低廉和易于產(chǎn)業(yè)化的特點，因而成為太陽能電池領域的研究熱點。實驗上發(fā)現(xiàn)通過調節(jié)碘化銅和脫水醋酸銦的量可以改變納米晶發(fā)射光的波長，這一性質可以用于制造波長連續(xù)可調的激光器。但有關這一實驗現(xiàn)象的原因，目前還不是很清楚。 本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，計算研究了CuInS_2中點缺陷和復合缺陷存在時的電子結構，并給出了六種缺陷的形成條件、形成的難易程度及其轉變能級位置。結果表明，在富Cu和貧In的條件下復合缺陷Cu_(In)+2Cu_i的形成能遠低于V_(Cu)、V_(In)、Cu_(In)、In_(Cu)、Cu_i和In_i六種點缺陷和復合缺陷2V_(Cu)+In_(Cu)；相反，在富In和貧Cu的條件下復合缺陷的形成能遠低于V_(Cu)、V_(In)、Cu_(In)、In_(Cu)、Cu_i和In_i六種點缺陷和復合缺陷Cu_(In)+2Cu_i。因此實驗過程中，若滿足富Cu和貧In的條件，則主要生成Cu_(In)+2Cu_i復合缺陷。在富In和貧Cu條件下，主要生成復合缺陷。 為了研究復合缺陷對電子結構和材料發(fā)光性質的影響，我們把四種缺陷結構和理想CuInS_2進行比較。四種缺陷結構化學式為Cu_(11)In_7S_(16)、Cu_(14)In_6S_(16)、Cu_5In_9S_(16)和Cu_2In_(10)S_(16)。為了準確的計算帶隙我們分別采用PBE贗勢和雜化泛函方法進行計算，得到了一致的結果。計算發(fā)現(xiàn)這五種結構的材料均屬于半導體，并且隨著Cu/In比率的增大帶隙呈變小趨勢，即Cu/In比率與材料帶隙存在負相關的關系，這與實驗上調節(jié)反應物中碘化銅和脫水醋酸銦比例可以獲得不同波長的吸收和發(fā)射光子的變化趨勢是一致的。分析原因可知，這五種結構的價帶主要是由Cu的d軌道和S的p軌道雜化而成，當Cu含量增多時，由于p-d雜化強度增強使半導體價帶擴展，價帶頂升高導致帶隙變窄。這些結果從微觀角度闡明了銅銦原子個數(shù)比對材料發(fā)射波長產(chǎn)生影響的主要原因，為實驗上調節(jié)材料發(fā)射波長提供了理論依據(jù)。 【關鍵詞】：黃銅礦 CuInS_2 第一性原理 缺陷 形成能 p-d排斥
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 引論9-19
• 1.1 太陽能電池簡史9-14
• 1.1.1 敏化太陽能電池9-10
• 1.1.2 塑料太陽能電池10-11
• 1.1.3 無機太陽能電池11-12
• 1.1.4 無機太陽能電池的光伏原理12-14
• 1.2 三元黃銅礦半導體 A~IB~(III(C_2~(VI)和 A~IB~(IV)C_2~V研究方法回顧14-17
• 1.3 CuInS_2黃銅礦半導體性質及用途17-19
• 第2章 第一性原理計算方法概述19-30
• 2.1 固體物理基礎20-23
• 2.1.1 Born-Oppenheimer 近似20
• 2.1.2 Hartree-Fock 方程20-22
• 2.1.3 Bloch 定理22-23
• 2.2 密度泛函理論23-25
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理23-24
• 2.2.2 單電子方程24
• 2.2.3 交換關聯(lián)泛函24-25
• 2.3 正交平面波方法25-27
• 2.4 贗勢27-28
• 2.5 基于密度泛函理論的第一性原理軟件計算過程28-30
• 第3章 黃銅礦結構 CuInS_2缺陷計算30-48
• 3.1 計算方法30-33
• 3.2 計算細節(jié)33-36
• 3.3 測試36-37
• 3.4 形成缺陷的熱力學限制37-40
• 3.5 孤立點缺陷的形成能40-42
• 3.6 孤立點缺陷的轉變能級42-44
• 3.7 復合缺陷的形成條件44-46
• 3.8 復合缺陷的形成能46-48
• 第4章 銅銦原子個數(shù)比與發(fā)光波長的正相關關系原因解釋48-57
• 4.1 復合缺陷與能帶結構49-53
• 4.2 對帶隙和銅銦原子個數(shù)比負相關關系的解釋53-57
• 結論57-58
• 附錄：對 p-d 排斥的簡要說明58-60
• 參考文獻60-62
• 致謝62

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