论文部分内容阅读
光电、热电材料作为清洁、绿色的新型能源材料,发展潜力巨大,应用前景广阔。它们都能将不同形式的能量直接转换为环保、高效、廉价的电能。其中,光电材料可将自然界中源源不断的太阳光能转化为电能;热电材料可将工业余热、汽车尾气等环境废热直接转化为电能。太阳能电池是将光能转换为电能的器件,其中Cu In1-x-x Gax Se2（CIGS）薄膜太阳能电池具有转化效率高、制造成本低和电池性能比较稳定等优势,受到国内外的广泛关注。然而,CIGS材料表面表面态（大量表面缺陷引起）的存在致使少数载流子在CIGS背表面发生复合,严重降低电池的光电转换效率。因此,研究如何钝化（消除）CIGS材料表面态对于提高光伏性能具有重要意义。热电材料通常用于热电器件中,可提高能量利用效率,在解决能源危机和环境污染问题等方面具有极大的应用潜力。近年来,人们在实验中发现Cu0.714Ga Te2（CGT）半导体材料具有优良的热电性能。但是,目前相应的理论计算研究滞后于实验研究。为此,本论文采用理论计算方法研究了Sb原子间隙掺杂对CGT热电材料结构-性能的影响,可以为实验提高CGT的塞贝克系数、改善热电性能提供理论依据和指导。本文采用第一性原理计算方法系统研究了太阳能电池材料Cu In0.75Ga0.25Se2（CIGS）体相的晶格结构、能带结构和电子态密度,CIGS（112）表面的重构现象、表面态以及Cl、F和H元素对CIGS（112）表面的钝化作用。以Cu-In-Ga（CIG）原子为终端的CIGS（112）表面模型在费米能级附近无态密度出现。分析发现,这是由于表面层原子位置变化较大、部分原子重构引起表面边缘发生自钝化导致的。以Se原子为终端的CIGS（112）表面模型在费米能级附近则出现了新的电子态密度峰（表面态）。新态密度峰主要源自Cu原子的3d轨道电子和Se原子的4p轨道电子贡献,其存在会降低CIGS太阳能电池的转换效率。为了消除表面态、提升电池性能,我们尝试采用Cl、F和H原子对以Se为终端的CIGS（112）表面进行钝化处理。计算结果表明,当覆盖度为0.5 ML的Cl、F和H原子吸附在CIGS（112）表面时,相较于桥位、密排六方（hcp）和面心立方（fcc）位点,这些原子优先占据表面的顶部位置,即顶位是相对稳定的吸附位置。稳定吸附结构的电子态密度表明,在表面添加Cl、F和H原子后费米能级附近的电子态密度均明显降低。这说明Cl、F、H元素在表面吸附后,均能有效钝化表面态。相比之下,H原子的钝化效果最佳、Cl原子的钝化效果次之、F原子的最弱。通过计算不同Sb掺杂浓度下热电材料Cu0.714Ga Te2（CGT）的晶格结构、能带和电子态密度,本文发现,Sb原子掺杂CGT后（间隙位置掺杂）,Sb原子周围晶格的畸变程度较大,但CGT的晶格常数却保持不变;在晶胞内Sb原子与其周围紧邻原子形成稳定的键合,具有相对稳定的晶格结构;掺杂后CGT的禁带宽度变窄或消失,且在费米能级附近出现新的尖锐的电子态密度,这些电子态主要源自Sb原子的5p轨道电子贡献。上述结果表明,在CGT中掺杂Sb原子后,体系的电子性质有较大变化,提高了体系费米能级附近态密度;增大了塞贝克系数,有利于改善CGT材料的热电性能。