太阳能电池材料CuInS_2带隙的缺陷调制研究

【摘要】：黄铜矿结构CuInS_2是一种性能优良的薄膜太阳能电池材料，具有吸收效率高、无毒、成本低廉和易于产业化的特点，因而成为太阳能电池领域的研究热点。实验上发现通过调节碘化铜和脱水醋酸铟的量可以改变纳米晶发射光的波长，这一性质可以用于制造波长连续可调的激光器。但有关这一实验现象的原因，目前还不是很清楚。 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算研究了CuInS_2中点缺陷和复合缺陷存在时的电子结构，并给出了六种缺陷的形成条件、形成的难易程度及其转变能级位置。结果表明，在富Cu和贫In的条件下复合缺陷Cu_(In)+2Cu_i的形成能远低于V_(Cu)、V_(In)、Cu_(In)、In_(Cu)、Cu_i和In_i六种点缺陷和复合缺陷2V_(Cu)+In_(Cu)；相反，在富In和贫Cu的条件下复合缺陷的形成能远低于V_(Cu)、V_(In)、Cu_(In)、In_(Cu)、Cu_i和In_i六种点缺陷和复合缺陷Cu_(In)+2Cu_i。因此实验过程中，若满足富Cu和贫In的条件，则主要生成Cu_(In)+2Cu_i复合缺陷。在富In和贫Cu条件下，主要生成复合缺陷。 为了研究复合缺陷对电子结构和材料发光性质的影响，我们把四种缺陷结构和理想CuInS_2进行比较。四种缺陷结构化学式为Cu_(11)In_7S_(16)、Cu_(14)In_6S_(16)、Cu_5In_9S_(16)和Cu_2In_(10)S_(16)。为了准确的计算带隙我们分别采用PBE赝势和杂化泛函方法进行计算，得到了一致的结果。计算发现这五种结构的材料均属于半导体，并且随着Cu/In比率的增大带隙呈变小趋势，即Cu/In比率与材料带隙存在负相关的关系，这与实验上调节反应物中碘化铜和脱水醋酸铟比例可以获得不同波长的吸收和发射光子的变化趋势是一致的。分析原因可知，这五种结构的价带主要是由Cu的d轨道和S的p轨道杂化而成，当Cu含量增多时，由于p-d杂化强度增强使半导体价带扩展，价带顶升高导致带隙变窄。这些结果从微观角度阐明了铜铟原子个数比对材料发射波长产生影响的主要原因，为实验上调节材料发射波长提供了理论依据。 【关键词】：黄铜矿 CuInS_2 第一性原理 缺陷 形成能 p-d排斥
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 引论9-19
• 1.1 太阳能电池简史9-14
• 1.1.1 敏化太阳能电池9-10
• 1.1.2 塑料太阳能电池10-11
• 1.1.3 无机太阳能电池11-12
• 1.1.4 无机太阳能电池的光伏原理12-14
• 1.2 三元黄铜矿半导体 A~IB~(III(C_2~(VI)和 A~IB~(IV)C_2~V研究方法回顾14-17
• 1.3 CuInS_2黄铜矿半导体性质及用途17-19
• 第2章 第一性原理计算方法概述19-30
• 2.1 固体物理基础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 密度泛函理论23-25
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理23-24
• 2.2.2 单电子方程24
• 2.2.3 交换关联泛函24-25
• 2.3 正交平面波方法25-27
• 2.4 赝势27-28
• 2.5 基于密度泛函理论的第一性原理软件计算过程28-30
• 第3章 黄铜矿结构 CuInS_2缺陷计算30-48
• 3.1 计算方法30-33
• 3.2 计算细节33-36
• 3.3 测试36-37
• 3.4 形成缺陷的热力学限制37-40
• 3.5 孤立点缺陷的形成能40-42
• 3.6 孤立点缺陷的转变能级42-44
• 3.7 复合缺陷的形成条件44-46
• 3.8 复合缺陷的形成能46-48
• 第4章 铜铟原子个数比与发光波长的正相关关系原因解释48-57
• 4.1 复合缺陷与能带结构49-53
• 4.2 对带隙和铜铟原子个数比负相关关系的解释53-57
• 结论57-58
• 附录：对 p-d 排斥的简要说明58-60
• 参考文献60-62
• 致谢62

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