论文部分内容阅读
CuInSe2 (CIS,铜铟硒)和Cu(In,Ga)Se2 (CIGS,铜铟镓硒)作为具有很高光吸收系数的直接带隙半导体非常适合作为薄膜太阳能电池的吸收层材料,因此在过去的几十年里受到了广泛的关注。在研究中,CuInSe2和Cu(In,Ga)Se2被发现具有一个不同于传统半导体的独特性质：传统半导体的单晶及用单晶制作的器件在光电特性上的表现通常要优于多晶,但是用多晶CuInSe2薄膜制备的太阳能电池的转换效率却高于其对应的单晶薄膜太阳能电池。这种奇特的现象引起了人们极大的研究兴趣。由于单晶与多晶的主要区别在于是否存在晶界,因此现在通常认为晶界是造成多晶薄膜太阳能电池优于单晶薄膜电池的关键因素,但对于晶界如何影响材料性质与电池性能的机理还存在争论。本论文以此作为研究对象,希望能够有助于进一步认识晶界在影响CuInSe2薄膜性质方面所起的作用。论文应用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对黄铜矿结构CuInSe2薄膜中的晶界进行了理论研究。具体内容包括：1.研究了CuInSe2理想晶体的电子结构,并用配位场理论和杂化轨道理论解释了CuInSe2中的成键情况。计算结果表明,Cu-Se键主要是共价键性质,表现为Cu-d和Se-p轨道之间的杂化。In-Se键包含更多的离子键成分,符合sp3杂化的特征。CuInSe2的价带部分主要由Cu-d和Se-p轨道构成,是决定CuInSe2能带结构的重要部分。计算结果还给出了一个与传统观点不同的结论,CuInSe2的导带底部分由In-s,Cu-s和Se-p共同决定。2.对CuInSe2中的(112)面的原子结构和电子结构进行了研究。通过对无缺陷(112)面进行结构优化,发现表面的结构变化和Si(111)面相似,符合sp3退杂化的特征。在有一个铜空位存在的情况下,表面能的比较与态密度的分析均表明缺铜的(112)面能量更低,原子结构更稳定。说明作为极性表面的(112)面倾向于失去铜原子达到更稳定的结构,也证实了表面处存在较多的铜空位。3.通过比较铜空位VCu在多晶CuInSe2中不同位置的形成能,发现VCu更倾向于分布在晶内而不是晶界。引入铜空位后,由于p-d斥力的减弱和化学键强弱的变化,导致价带顶的下移和导带顶的上移,出现空穴势垒和电子势垒。通过缺陷对2V-Cu+InCu2+形成能的计算,证明了其同样倾向于分布在晶内而不是晶界,并带来价带顶的明显下移和导带底的向下延伸。计算结果表明,无论铜空位Vcu还是缺陷对2V-Cu+InCu2+都能在一定程度上减少载流子的复合。4.通过比较Na原子在多晶CuInSe2中不同位置的形成能,研究了Na在多晶CuInSe2中的掺杂方式和分布情况。结果表明Na原子倾向于占据Cu原子(NaCu)的位置,主要分布于晶界。Na原子与Se原子形成离子性的Na-Se键,导致价带顶下移,在晶界处形成了阻止空穴通过却不影响电子的空穴势垒,减少了载流子的复合。这为多晶CIS中的晶界可以提高薄膜太阳能电池的性能提供了一种解释。5.研究了Cd元素在CuInSe2中的掺杂。通过计算Cd取代Cu原子、Cd取代In原子和Cd位于原子间隙三种情况的形成能,发现Cd原子更倾向于以取代Cu和In原子的形式存在于材料内部。在CIS(112)表面,Cd原子倾向于和铜空位VCu结合,以缺陷对CdCu+V-Cu的形式分布在表层。缺陷对存在使得价带顶下移,从而带来空穴势垒,有效地减少了载流子的复合。这对于提高在CuInSe2/CdS异质结电流输出有积极作用。