CuInS2和CuIn1-xGaxS2光电材料的制备及其能带计算

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能源危机的出现迫使人们去寻求新的能源,太阳能因具有取之不尽、环保无污染等优点而进入人们的视线。CuInS2是直接带隙半导体,带隙宽度为1.50eV,可以与太阳光谱较好的匹配,且其吸收系数大,转换效率高,稳定性好。在CuInS2中掺杂Ga元素制成CuInS2可以调节其带隙宽度,使其更高效地吸收太阳光,并且作为太阳能电池的吸收层材料,无毒、成本低,具有非常好的应用前景。本文采用VASP软件,计算了PBE赝势下CuInS2和CuIn1-xGaxS2的能带带隙。采用旋涂-化学共还原法制备出CuInS2和CuInS2薄膜,并通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和UV紫外可见分光光度计进行表征与能带带隙估算,研究了不同的原料和处理工艺对其形貌和性能的影响。本论文内容如下:(1)采用VASP软件,在PBE赝势下计算CuInS2和掺Ga浓度为1/4、1/2、3/4和1.0的CuIn1-xGaxS2的能带带隙。通过收敛测试和晶格优化确定平面波切断能(ENCUT)、K空间网格(K-mesh)以及晶格常数,研究了掺Ga浓度对晶胞体积和能带带隙的影响。结果表明CuIn1-xGaxS2晶胞的体积和能带带隙只与Ga原子含量有关,而与Ga原子的掺杂位置无关,随掺Ga浓度增大,CuInxGa1-xS2晶胞体积逐渐减小,能带带隙逐渐增大。(2)以硝酸盐为原料,采用旋涂-化学共还原法制备CuInS2薄膜。研究了保温时间、反应温度、反应次数、硫源以及溶剂种类对CuInS2薄膜制备的影响。结果表明在实验范围内,延长保温时间、升高反应温度及增加反应次数都利于产物结晶,但保温时间在超过20h后结晶变化很小;以不同硫源制备CuInS2薄膜,硫脲作为硫源时产物衍射峰最好,在(112)晶面择优生长,结晶度最好,是最合适的硫源;选用不同溶剂制备CuInS2薄膜,无水乙醇为溶剂时产物衍射峰和结晶度明显好于乙醇胺和乙二胺,是最合适的溶剂。(3)以硝酸盐为原料,采用旋涂-化学共还原法制备CuInS2薄膜。研究保温时间和反应温度对CuInS2薄膜制备的影响,并研究了掺Ga浓度对CuInS2衍射峰和能带带隙的影响。结果表明延长保温时间利于产物结晶;在180~220℃的反应温度内,200℃时制备的CuInS2薄膜衍射峰最强,结晶度最好;随掺Ga浓度的增大,CuIn1-xGaxS2薄膜衍射峰整体右移,强度逐渐变小,结晶变差,且外推法估算其带隙逐渐变大。
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