太阳能电池半导体材料CuInS_2和CuI掺杂性质的第一性原理研究

【摘要】：CuInS2(CIS)薄膜太阳能电池以其成本低、理论转化效率高、结构稳定等特点,逐渐成为太阳能电池研究领域的热点。真空方法制备CIS薄膜的技术日趋成熟,但非真空方法以其低廉的成本,已引起人们广泛关注。在非真空方法制备CIS薄膜太阳能电池的过程中可能会出现各种各样的缺陷,包括由化学组分偏差造成晶体结构的本征缺陷以及在制备环境中引入的外来杂质。这些缺陷和杂质对半导体性能造成的影响较为复杂,因此,研究CIS半导体材料中的化学掺杂和结构缺陷对能带结构和半导体性能的影响规律尤为重要。 本论文应用密度泛函理论、GGA(LDA)+U及杂化密度泛函等方法计算研究CIS和CuI的完整晶体性质,包括晶格常数、体弹模量、带隙等基本物理参数以及能带结构和态密度。模拟在不同化学组分偏差条件,即贫铜富铟富硫富氧、富铜贫铟富硫富氧和富铜富铟贫硫富氧三种情况下,运用杂化密度泛函HSE06方法计算在CIS半导体中可能形成的点缺陷(VCu、VIn、VS、InCu、CUIn和Os)的形成能及跃迁能级。以n型半导体中起主导作用的施主缺陷具有较低的形成能和较浅的跃迁能级(接近导带底)；和p型半导体中起主导作用的受主缺陷具有较低的形成能和较浅的跃迁能级(接近价带顶)为判据,比较缺陷的形成能及跃迁能级,判断缺陷对于CIS半导体类型(n或p型)的控制机制。此外,利用相同的方法,对Cul材料中缺陷(VCu、VI、VCu、CuI、NI和OI)的形成能及跃迁能级计算,判断缺陷对半导体类型的影响。 结果表明,杂化密度泛函HSE06能精确描述CIS结构和电子性质,得到与实验值相近的带隙值(1.40eV)。在富硫环境下,并将Cu和In化学势控制在一定范围内,可以制备出p型CIS半导体；在贫硫无氧环境下,可以制备出n型CIS半导体。利用杂化密度泛函PBE0方法计算CuI半导体结构,得到与实验值相近的带隙值(3.24eV)。对p型受主缺陷,铜空位具有最浅的跃迁能级,在富碘环境下,铜空位形成能最低。因此,在贫铜富碘环境下,可以制备出p型CuI半导体。这些计算结果为控制CIS和Cul的结构和电子性质提供重要的理论依据。 【关键词】：太阳能电池 CuInS_2和CuI 点缺陷性质 第一性原理计算
【学位授予单位】：钢铁研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4;TN304
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 文献综述10-24
• 1.1 太阳能电池分类及特点10-12
• 1.1.1 单晶硅太阳能电池10-11
• 1.1.2 多晶硅太阳能电池11
• 1.1.3 非晶硅薄膜太阳能电池11-12
• 1.1.4 Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳能电池12
• 1.2 ⅠB-ⅢA-ⅥA族化合物太阳能电池12-14
• 1.2.1 CIGSe薄膜太阳能电池12-13
• 1.2.2 CIS薄膜太阳能电池13-14
• 1.3 太阳能电池工作原理14-17
• 1.3.1 半导体的能带结构14-15
• 1.3.2 半导体材料的掺杂15
• 1.3.3 PN结的形成与光电转换机制15-17
• 1.4 CIS太阳能电池基本结构17-18
• 1.5 CIS薄膜太阳能电池制备技术18-19
• 1.6 用第一性原理方法计算CIS和CuI的研究现状19-21
• 1.6.1 用第一性原理方法计算CIS的研究现状19-20
• 1.6.2 用第一性原理方法计算CuI的研究现状20-21
• 1.7 本论文的目的意义及组织结构21-24
• 1.7.1 本论文的研究目的与意义21-22
• 1.7.2 本论文的组织结构22-24
• 第二章 理论方法24-42
• 2.1 密度泛函理论24-27
• 2.1.1 多粒子薛定谔方程及绝热近似24-25
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理25
• 2.1.3 Kohn-Sham方程25-27
• 2.1.4 交换关联近似27
• 2.2 超越密度泛函理论27-31
• 2.2.1 L(S)DA+U27-29
• 2.2.2 杂化密度泛函29-31
• 2.2.2.1 PBE0泛函29-30
• 2.2.2.2 HSE03/06泛函30-31
• 2.3 第一性原理平面波方法31-33
• 2.3.1 基于平面波基的Kohn-Sham方程31-32
• 2.3.2 k空间积分32
• 2.3.3 赝势方法32-33
• 2.4 VASP计算软件33-35
• 2.4.1 VASP的简单介绍33-34
• 2.4.2 VASP程序总体结构34
• 2.4.3 VASP重要输入文件34-35
• 2.5 第一原理计算半导体材料中点缺陷性质的方法35-42
• 2.5.1 缺陷形成能35-40
• 2.5.2 跃迁能级40-42
• 第三章 太阳能电池半导体材料CuInS_2完整晶体及点缺陷性质42-76
• 3.1 计算方法与模型42-45
• 3.2 CIS完整晶体的结构性质45-50
• 3.2.1 CIS基本物理参数与GGA+U中U的关系45-48
• 3.2.2 PBE、GGA+U和HSE06方法对CIS基本物理参数的计算48-50
• 3.3 CIS完整晶体的电子性质50-62
• 3.3.1 GGA+U中不同U值计算CIS能带结构及态密度50-57
• 3.3.2 PBE、GGA+U和HSE06方法计算CIS能带结构及态密度57-62
• 3.4 CIS晶体中的点缺陷性质62-74
• 3.4.1 PBE-GGA方法计算CIS中点缺陷形成能和跃迁能级62-66
• 3.4.2 GGA+U方法计算CIS中点缺陷跃迁能级66-69
• 3.4.2.1 V_(Cu)跃迁能级ε(0/1-)与GGA+U中U的关系66-67
• 3.4.2.2 GGA+U方法计算CIS中各种点缺陷跃迁能级67-69
• 3.4.3 HSE06-GGA方法计算CIS中点缺陷形成能和跃迁能级69-74
• 3.5 本章小结74-76
• 第四章 太阳能电池半导体材料CuI完整晶体及点缺陷性质76-96
• 4.1 计算方法与模型76-79
• 4.2 CuI完整晶体的结构性质79-80
• 4.3 CuI完整晶体的电子性质80-87
• 4.4 CuI晶体中的点缺陷性质87-95
• 4.4.1 PBE-GGA方法计算CuI中点缺陷形成能和跃迁能级88-90
• 4.4.2 GGA+U方法计算CuI中点缺陷跃迁能级90-91
• 4.4.3 HSE06-GGA方法计算CuI中点缺陷形成能和跃迁能级91-95
• 4.5 本章小结95-96
• 第五章 结论96-98
• 参考文献98-106
• 发表论文和参加科研情况说明106-108
• 致谢108

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