薄膜太陽能電池中半導(dǎo)體電極熱電性質(zhì)的第一性原理研究

【摘要】：In_2O_3是典型的透明導(dǎo)電氧化物（Transparent Conductive Oxides, TCOs）之一，由于同時具有高的電導(dǎo)和可見光透過率被大量使用在薄膜太陽能電池的透明電極用作窗口層；為了降低薄膜太陽能電池背接觸金屬電極的電勢，通常采用半導(dǎo)體化合物p-ZnTe作為過渡電極，R(Sn,Pb)xZn(1-x)Te合金體系中的Pb0.25Zn0.75Te三元合金材料具有與太陽可見光光譜相匹配帶隙（1.38eV）且易進(jìn)行n型摻雜，與p-ZnTe組合形成異質(zhì)結(jié)，理論上可作為一種新的太陽能電池的背接觸電極使用—本文研究材料的選取就是基于這兩種應(yīng)用于薄膜太陽能電池的窗口層和背接觸層的兩種半導(dǎo)體電極。 關(guān)于In_2O_3的帶隙問題一直存在爭議。我們采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算了In_2O_3體材料的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，證明它是直接帶隙氧化物，并且得到它的基本帶隙與光學(xué)帶隙，闡述了它們之間差異形成的原因：由于量子躍遷的Laporte選率決定它的Γ點(diǎn)的由VBM到CBM的電子躍遷是禁阻的，而符合躍遷條件的能量在低于VBM約0.7eV開始。 透明氧化物材料的載流子遷移率比較高，所以In_2O_3是具有高ZT因子的性質(zhì)較優(yōu)的熱電材料之一。我們利用第一性原理方法及半經(jīng)典的波爾茲曼理論方法計(jì)算研究了純In_2O_3在300K室溫下的熱電性質(zhì)及在不同的確定載流子濃度下各熱電系數(shù)隨溫度的變化情況。我們發(fā)現(xiàn)在常溫下p型導(dǎo)電機(jī)制下的較高的濃度區(qū)域內(nèi)會有相對較好的熱電效率，而在n型導(dǎo)電機(jī)制下較低濃度范圍內(nèi)的ZT會比較大。而溫度的提高對功率因子和電子熱導(dǎo)都同時具有加強(qiáng)作用。 基于太陽能電池背接觸電極的應(yīng)用，通過第一性原理和半經(jīng)驗(yàn)的波爾茲曼輸運(yùn)理論我們計(jì)算了R(Sn,Pb)ZnTe三元合金體系的表征熱電性質(zhì)的品質(zhì)ZT因子?？偟膩碚f，除了在較低濃度范圍內(nèi)的n型導(dǎo)電機(jī)制下外，各體系的ZT因子要比純的ZnTe的值小。在大部分濃度范圍內(nèi)p型導(dǎo)電機(jī)制下的ZT要大于n型。在p型導(dǎo)電情況下，同一載流子濃度下，基本上各R(Sn,Pb)ZnTe體系的ZT隨著R含量的增加減小，而在n型導(dǎo)電情形下，基本上含R-25%和含R-50%的體系的ZT維持在較小的值內(nèi)緩慢變化，而純的ZnTe和含R-6.25%體系則由在小濃度范圍內(nèi)的較小值陡然上升，在較高濃度范圍內(nèi)形成極大值。 【關(guān)鍵詞】：氧化銦 三元合金 第一性原理研究 光學(xué)帶隙 熱電性質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.42;O469
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-17
• 1.1 材料的基本結(jié)構(gòu)和基本特性11-14
• 1.1.1 In2O3的基本結(jié)構(gòu)和特性介紹11-12
• 1.1.2 R(Sn,Pb)ZnTe 三元合金基本結(jié)構(gòu)和特性介紹12-14
• 1.2 選題目的和意義14-17
• 1.2.1 In_2O_3帶隙問題及熱電性質(zhì)的研究14-16
• 1.2.2 R(Sn,Pb)_xZn_((1-x))Te 三元合金體系熱電性質(zhì)研究16-17
• 第2章 基本理論及計(jì)算方法17-30
• 2.1 第一性原理計(jì)算方法17-20
• 2.1.1 第一性原理方法概述17
• 2.1.2 三種基本近似17-19
• 2.1.3 VASP 計(jì)算軟件包簡介19-20
• 2.2 密度泛函理論20-25
• 2.2.1 密度泛函理論簡介20
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn 定理20-21
• 2.2.3 Kohn-Sham 方程21-22
• 2.2.4 交換關(guān)聯(lián)能泛函的求解22-25
• 2.3 贗勢平面波方法25-27
• 2.3.1 模守恒膺勢26
• 2.3.2 超軟贗勢26
• 2.3.3 自洽場計(jì)算26-27
• 2.4 波爾茲曼理論27-30
• 第3章 In_2O_3光學(xué)帯隙的探究30-38
• 3.1 引言30
• 3.2 計(jì)算方法30-31
• 3.3 計(jì)算結(jié)果及討論31-36
• 3.3.1 晶體結(jié)構(gòu)31
• 3.3.2 電子結(jié)構(gòu)31-32
• 3.3.3 光學(xué)性質(zhì)分析32-36
• 3.4 本章小結(jié)36-38
• 第4章 立方相 In_2O_3熱電性質(zhì)的第一性原理研究38-45
• 4.1 引言38
• 4.2 計(jì)算方法38-39
• 4.3 計(jì)算結(jié)果及討論39-44
• 4.3.1 能帶結(jié)構(gòu)39-40
• 4.3.2 室溫下熱電系數(shù)研究40-43
• 4.3.3 熱電系數(shù)隨溫度變化43-44
• 4.4 本章小結(jié)44-45
• 第5章 R(Sn,Pb)ZnTe 三元合金熱電性質(zhì)的研究45-56
• 5.1 引言45-46
• 5.2 計(jì)算方法46-47
• 5.3 計(jì)算結(jié)果及討論47-54
• 5.3.1 電子結(jié)構(gòu)分析47-48
• 5.3.2 seebeck 系數(shù)48-52
• 5.3.3 電子熱導(dǎo)52
• 5.3.4 ZT 因子52-54
• 5.4 本章小結(jié)54-56
• 總結(jié)和展望56-58
• 參考文獻(xiàn)58-66
• 附錄 A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄66-67
• 附錄 B 攻讀學(xué)位期間參與的基金項(xiàng)目目錄67-68
• 致謝68

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