CuInSe2(001)表面的第一性原理研究

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为了满足不断增长的能源需要,同时保持环境的清洁,各种替代性能源和技术得到广泛的开发和利用,其中以光伏技术为基础的太阳能薄膜电池被认为是最具潜力新能源利用方式。在作为薄膜太阳能电池吸收层的材料中,以CuInSe2为基础的半导体材料被认为是制作高效低成本太阳能电池最有潜力的材料,其实验室转换效率已达到20.3%,具有许多传统半导体所不可比拟的优良特性。但是,CuInSe2在生长中会产生多种缺陷以及缺陷相,使得表面组分偏离化学计量比。这些缺陷的产生会影响薄膜的微观特性、电学以及光学性质,导致其转换效率仍然低于理论预测的31%的转换效率,进而影响了太阳能电池的性能。因此,在材料的生长过程中抑制缺陷的生长是人们一直以来努力的方向。  在过去的一些研究中了解到CIS有多种不同的极性面和非极性面,典型的极性面包括(112)表面和(001)表面,典型的非极性面包括(110)表面和(102)表面,虽然大量的理论和实验已经证实,极性(112)和(112)表面非常稳定,但是在生长过程中,却不能快速生长。并且在Cu富足的情况下(001)表面要比(112)表面更稳定,这对于快速生长高质量的CIS来说是十分有利的。在最近的一些实验中发现,生长过程中Se量对于CIS薄膜形态、电子结构以及缺陷形成有重要影响。通过观察X射线衍射下的图样可知:在Se环境下生长的CIS表面,Se的化学活性对表面微观结构和太阳能电池性能有很强的影响,在少量Se环境下生长的CIS表面会出现大量(112)表面形态;在大量Se环境下生长的CIS表面会出现Cu2Se相。  本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对CIS(001)的Se表面、金属表面以及双层Se表面进行了比较研究。研究表明,(001)-Se双层表面比Se表面更稳定。通过对不同表面缺陷形成能的计算,双层Se表面却可以有效的抑制缺陷的生成。因此高浓度Se环境下生长的表面不仅稳定性高,而且还可以抑制缺陷的生成,这对于生长高质量的薄膜是十分有利的。
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