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太阳能电池材料CuInS₂带隙的缺陷调制研究

作　者: 杨霈
导　师: 姚裕贵
学　校: 北京理工大学
专　业: 物理学
关键词: 黄铜矿 CuInS2 第一性原理缺陷形成能 p-d排斥
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 23次
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内容摘要

黄铜矿结构CuInS₂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CuInS₂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CuInS₂进行比较。四种缺陷结构化学式为Cu₁₁In₇S₁₆、Cu₁₄In₆S₁₆、Cu₅In₉S₁₆和Cu₂In₁₀S₁₆。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。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
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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