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Cu2ZnSnS4晶界性质与光伏效应的第一性原理研究

范巍 曾雉

Cu2ZnSnS4晶界性质与光伏效应的第一性原理研究

范巍, 曾雉
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  • 本文应用第一性原理电子结构计算方法研究了锌黄锡矿Cu2ZnSnS4 (CZTS)晶界的性质: 包括微结构和电子结构及其对光伏效应的影响. 计算结果表明: 从p-n结区扩散过来空穴可以翻越一定势垒后被晶界俘获, 晶界进一步提供载流子扩散的快速通道, 使得这些空穴可以快速运动到阳极. 少数载流子电子在晶界中心区附近感受到很高的静电势垒, 但其高势垒两侧存在的势阱可以束缚少量电子. 对多数载流子空穴, 晶界中心则是势阱, 势阱两边有阻止空穴扩散到晶界中心的势垒. 由于CZTS晶体的易解理面是(112), 晶界面与(112)面平行的扭转晶界 3*[221]和 6*[221] 等不破坏原有晶体的基本结构, 它们的晶界能很小, 而且其电子结构与晶体内部基本相同, 因此尽管它们大量存在于CZTS材料中, 但是对材料性质仅有很小的影响. 通过比较晶体、晶界、空腔的表面和纳米棒的电子结构和光吸收系数, 我们可以看出: 这些微结构会在带隙内引入新的能级(复合中心), 同时高的孔隙率会降低(大于1.3 eV)光的吸收系数, 因此提高CZTS薄膜的致密度是提高CZTS太阳能电池效率关键.
      通信作者: 范巍, fan@theory.issp.ac.cn
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号: 2012CB933702)资助的课题.
    [1]

    Ito K, Nakazawa T 1988 Japanese Journal of Applied Physics 27 2094

    [2]

    Shin B, Gunawan O, Zhu Y, Bojarczuk N A, Chey S J, Guha S 2013 Prog. Photovolt: Res. Appl. 21 72

    [3]

    Xu Jia-Xiong, Yao Ruo-He 2012 Acta Phys. Sin. 61 187304 (in Chinese) [许佳雄, 姚若河 2012 物理学报 61 187304]

    [4]

    Guo Q, Ford G M, Yang W C, Walker B C, Stach E A, Hillhouse H W, Agrawal R 2010 J. Am. Chem. Soc. 132 17384

    [5]

    Wang W, Winkler M T, Gunawan O, Gokmen T, Todorov T K, Zhu Y, Mitzi D B 2014 Adv. Energy Mater. 4 1301465

    [6]

    Chen Q M, Li Z Q, Ni Y, Cheng S Y, Dou X M 2012 Chin. Phys. B 21 038401

    [7]

    Strohm A, Eisenmann L, Gebhardt R K, Harding A, Schlötzer T, Abou-Ras D, Schock H W 2005 Thin Solid Film 480-481 162

    [8]

    Jiang C -S, Noufi R, AbuShama J A, Ramanathan K, Moutinho H R, Pankow J, AI-Jassim M M 2004 Applied Physics Letters 84 3477

    [9]

    Azulay D, Millo O, Balberg I, Schock H W, Visoly-Fisher I, Cahen D 2007 Solar Energy Materials & Sollar Cells 91 85

    [10]

    Azulay D, Balberg I, Millo O 2012 Phys. Rev. Lett. 108 076603

    [11]

    Li J B, Chawla V, Clemens B M 2012 Adv. Mater. 24 720

    [12]

    Jeong A R, Jo W, Jung S, Gwak J, Yun J H 2011 Applied Physics Letters 99 082103

    [13]

    Haight R, Shao X Y, Wang W, Mitzi D B 2014 Applied Physics Letters 104 033902

    [14]

    Kosyak V, Karmarkar M A, Scarpulla M A 2012 Applied Physics Letters 100 263903

    [15]

    Mendis B G, Goodman M C J, Major J D, Tayler A A, Durose K, Halliday D P 2012 Journal of Applied Physics 112 124508

    [16]

    Persson C, Zunger A 2003 Phys. Rev. Lett. 91 266401

    [17]

    Persson C, Zunger A 2005 Applied Physics Letters 87 211904

    [18]

    Schmidt S S, Abou-Ras D, Sadewasser S, Yin W J, Feng C B Yan Y F 2012 Phys. Rev. Lett. 109 095506

    [19]

    Yan Y F, Jiang C S, Noufi R, Wei S H, Moutinho H R, Al-Jassim M M 2007 Phys. Rev. Lett. 99 235504

    [20]

    Li J W, Mitzi D B, Shenoy V B 2011 ACSNANO 5 8613

    [21]

    Medvedeva N I, Shalaeva E V, Kuznetsov M V, Yakushev M V 2006 Phys. Rev. B 73 035207

    [22]

    Dong Z Y, Li Y F, Yao B, Ding Z H, Yang G, Deng R, Fang X, Wei Z P, Liu L 2014 J. Phys. D: Appl. Phys. 47 075304

    [23]

    Bao W, Ichimura M 2012 International Journal of Photoenergy,ArticleID 61982

    [24]

    Xu P, Chen S Y, Huang B, Xiang H J, Gong X G, Wei S H 2013 Phys. Rev. B 88 045427

    [25]

    Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [26]

    Blöchl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953

    [27]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [28]

    Gajdoš M, Hummer K, Kresse G, Furthmller J, Bechstedt F 2006 Phys. Rev. B 73 045112

    [29]

    Sutton A P, Balluffi R W 1995 Interface in Crystalline Materials, Clarendon Press, Oxford

    [30]

    Balluffi R W 1982 Metall. Trans. B 13 527

    [31]

    Fan W, Liu D Y, Zeng Z 2014 Physica C 497 110

    [32]

    Grossberg M, Raadik T, Raudoja J, Krustok J 2014 Current Applied Phsyics 14 447

    [33]

    Henkelman G, Arnaldsson A, Jónsson H 2006 Comput. Mater. Sci. 36 354

    [34]

    Yang C Y, Qin M S, Wang Y M, Wan D Y, Huang F Q, Lin J H 2013 Sci. Rep. 3, 1286

    [35]

    Fan Wei, Zeng Zhi 2014 Acta Phys. Sin. 63 047503 (in Chinese) [范巍, 曾雉 2014 物理学报 63 047503]

    [36]

    Liu Hao, Xue Yu-Ming, Qiao Zai-Xiang, Li Wei, Zhang Chao, Yin Fu-Hong, Feng Shao-Jun 2015 Acta Phys. Sin.64 068801 (in Chinese) [刘浩, 薛玉明, 乔在祥, 李微, 张超, 尹富红, 冯少君 2015 物理学报 64 068801]

    [37]

    Sun K W, Su Z H, Han Z L, Liu F Y, Lai Y Q, Li J, Liu Y X 2014 Acta Phys. Sin. 63 018801 (in Chinese) [孙凯文, 苏正华, 韩自力, 刘芳洋, 赖延清, 李劼, 刘业翔 2014 物理学报 63 018801]

    [38]

    Momma K, Izumi F 2008 J. Appl. Crystallogr. 41 653

  • [1]

    Ito K, Nakazawa T 1988 Japanese Journal of Applied Physics 27 2094

    [2]

    Shin B, Gunawan O, Zhu Y, Bojarczuk N A, Chey S J, Guha S 2013 Prog. Photovolt: Res. Appl. 21 72

    [3]

    Xu Jia-Xiong, Yao Ruo-He 2012 Acta Phys. Sin. 61 187304 (in Chinese) [许佳雄, 姚若河 2012 物理学报 61 187304]

    [4]

    Guo Q, Ford G M, Yang W C, Walker B C, Stach E A, Hillhouse H W, Agrawal R 2010 J. Am. Chem. Soc. 132 17384

    [5]

    Wang W, Winkler M T, Gunawan O, Gokmen T, Todorov T K, Zhu Y, Mitzi D B 2014 Adv. Energy Mater. 4 1301465

    [6]

    Chen Q M, Li Z Q, Ni Y, Cheng S Y, Dou X M 2012 Chin. Phys. B 21 038401

    [7]

    Strohm A, Eisenmann L, Gebhardt R K, Harding A, Schlötzer T, Abou-Ras D, Schock H W 2005 Thin Solid Film 480-481 162

    [8]

    Jiang C -S, Noufi R, AbuShama J A, Ramanathan K, Moutinho H R, Pankow J, AI-Jassim M M 2004 Applied Physics Letters 84 3477

    [9]

    Azulay D, Millo O, Balberg I, Schock H W, Visoly-Fisher I, Cahen D 2007 Solar Energy Materials & Sollar Cells 91 85

    [10]

    Azulay D, Balberg I, Millo O 2012 Phys. Rev. Lett. 108 076603

    [11]

    Li J B, Chawla V, Clemens B M 2012 Adv. Mater. 24 720

    [12]

    Jeong A R, Jo W, Jung S, Gwak J, Yun J H 2011 Applied Physics Letters 99 082103

    [13]

    Haight R, Shao X Y, Wang W, Mitzi D B 2014 Applied Physics Letters 104 033902

    [14]

    Kosyak V, Karmarkar M A, Scarpulla M A 2012 Applied Physics Letters 100 263903

    [15]

    Mendis B G, Goodman M C J, Major J D, Tayler A A, Durose K, Halliday D P 2012 Journal of Applied Physics 112 124508

    [16]

    Persson C, Zunger A 2003 Phys. Rev. Lett. 91 266401

    [17]

    Persson C, Zunger A 2005 Applied Physics Letters 87 211904

    [18]

    Schmidt S S, Abou-Ras D, Sadewasser S, Yin W J, Feng C B Yan Y F 2012 Phys. Rev. Lett. 109 095506

    [19]

    Yan Y F, Jiang C S, Noufi R, Wei S H, Moutinho H R, Al-Jassim M M 2007 Phys. Rev. Lett. 99 235504

    [20]

    Li J W, Mitzi D B, Shenoy V B 2011 ACSNANO 5 8613

    [21]

    Medvedeva N I, Shalaeva E V, Kuznetsov M V, Yakushev M V 2006 Phys. Rev. B 73 035207

    [22]

    Dong Z Y, Li Y F, Yao B, Ding Z H, Yang G, Deng R, Fang X, Wei Z P, Liu L 2014 J. Phys. D: Appl. Phys. 47 075304

    [23]

    Bao W, Ichimura M 2012 International Journal of Photoenergy,ArticleID 61982

    [24]

    Xu P, Chen S Y, Huang B, Xiang H J, Gong X G, Wei S H 2013 Phys. Rev. B 88 045427

    [25]

    Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758

    [26]

    Blöchl P E 1994 Phys. Rev. B 50 17953

    [27]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [28]

    Gajdoš M, Hummer K, Kresse G, Furthmller J, Bechstedt F 2006 Phys. Rev. B 73 045112

    [29]

    Sutton A P, Balluffi R W 1995 Interface in Crystalline Materials, Clarendon Press, Oxford

    [30]

    Balluffi R W 1982 Metall. Trans. B 13 527

    [31]

    Fan W, Liu D Y, Zeng Z 2014 Physica C 497 110

    [32]

    Grossberg M, Raadik T, Raudoja J, Krustok J 2014 Current Applied Phsyics 14 447

    [33]

    Henkelman G, Arnaldsson A, Jónsson H 2006 Comput. Mater. Sci. 36 354

    [34]

    Yang C Y, Qin M S, Wang Y M, Wan D Y, Huang F Q, Lin J H 2013 Sci. Rep. 3, 1286

    [35]

    Fan Wei, Zeng Zhi 2014 Acta Phys. Sin. 63 047503 (in Chinese) [范巍, 曾雉 2014 物理学报 63 047503]

    [36]

    Liu Hao, Xue Yu-Ming, Qiao Zai-Xiang, Li Wei, Zhang Chao, Yin Fu-Hong, Feng Shao-Jun 2015 Acta Phys. Sin.64 068801 (in Chinese) [刘浩, 薛玉明, 乔在祥, 李微, 张超, 尹富红, 冯少君 2015 物理学报 64 068801]

    [37]

    Sun K W, Su Z H, Han Z L, Liu F Y, Lai Y Q, Li J, Liu Y X 2014 Acta Phys. Sin. 63 018801 (in Chinese) [孙凯文, 苏正华, 韩自力, 刘芳洋, 赖延清, 李劼, 刘业翔 2014 物理学报 63 018801]

    [38]

    Momma K, Izumi F 2008 J. Appl. Crystallogr. 41 653

  • [1] 柯少颖, 王茺, 潘涛, 何鹏, 杨杰, 杨宇. 渐变带隙氢化非晶硅锗薄膜太阳能电池的优化设计. 物理学报, 2014, 63(2): 028802. doi: 10.7498/aps.63.028802
    [2] 孔光临, 曾湘波, 许 颖, 刁宏伟, 廖显伯, 郝会颖. 非晶/微晶相变域硅薄膜及其太阳能电池. 物理学报, 2005, 54(7): 3327-3331. doi: 10.7498/aps.54.3327
    [3] 付鹏飞, 虞丹妮, 彭子健, 龚晋慷, 宁志军. 扭曲二维结构钝化的钙钛矿太阳能电池. 物理学报, 2019, 68(15): 158802. doi: 10.7498/aps.68.20190306
    [4] 马 军, 陈玉红, 张材荣. MgmBn(m=1,2;n=1—4)团簇结构与性质的密度泛函理论研究. 物理学报, 2006, 55(1): 171-178. doi: 10.7498/aps.55.171
    [5] 吕瑾, 杨丽君, 王艳芳, 马文瑾. Al2Sn(n=210)团簇结构特征和稳定性的密度泛函理论研究. 物理学报, 2014, 63(16): 163601. doi: 10.7498/aps.63.163601
    [6] 代广珍, 蒋先伟, 徐太龙, 刘琦, 陈军宁, 代月花. 密度泛函理论研究氧空位对HfO2晶格结构和电学特性影响. 物理学报, 2015, 64(3): 033101. doi: 10.7498/aps.64.033101
    [7] 陈晓波, 杨国建, 李永良, 廖红波, 陈鸾, 王亚非, 张春林, 张蕴芝. Er0.3Gd0.7VO4晶体红外量子剪裁效应及其在太阳能电池应用上的研究. 物理学报, 2010, 59(11): 8191-8199. doi: 10.7498/aps.59.8191
    [8] 康 龙, 罗永春, 张材荣, 元丽华, 李延龙, 陈玉红. (Ca3N2)n(n=1—4)团簇结构与性质的密度泛函理论研究. 物理学报, 2008, 57(10): 6265-6270. doi: 10.7498/aps.57.6265
    [9] 李小娟, 韦尚江, 吕文辉, 吴丹, 李亚军, 周文政. 一种新方法制备硅/聚(3, 4-乙撑二氧噻吩)核/壳纳米线阵列杂化太阳能电池. 物理学报, 2013, 62(10): 108801. doi: 10.7498/aps.62.108801
    [10] 高虹, 朱卫华, 唐春梅, 耿芳芳, 姚长达, 徐云玲, 邓开明. 内掺氮富勒烯N2@C60的几何结构和电子性质的密度泛函计算研究. 物理学报, 2010, 59(3): 1707-1711. doi: 10.7498/aps.59.1707
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-05-13
  • 修回日期:  2015-08-16
  • 刊出日期:  2015-12-05

Cu2ZnSnS4晶界性质与光伏效应的第一性原理研究

  • 1. 中国科学院固体物理研究所, 中国科学院材料物理重点实验室, 中国科学院合肥物质科学研究院, 合肥 230031
  • 通信作者: 范巍, fan@theory.issp.ac.cn
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号: 2012CB933702)资助的课题.

摘要: 本文应用第一性原理电子结构计算方法研究了锌黄锡矿Cu2ZnSnS4 (CZTS)晶界的性质: 包括微结构和电子结构及其对光伏效应的影响. 计算结果表明: 从p-n结区扩散过来空穴可以翻越一定势垒后被晶界俘获, 晶界进一步提供载流子扩散的快速通道, 使得这些空穴可以快速运动到阳极. 少数载流子电子在晶界中心区附近感受到很高的静电势垒, 但其高势垒两侧存在的势阱可以束缚少量电子. 对多数载流子空穴, 晶界中心则是势阱, 势阱两边有阻止空穴扩散到晶界中心的势垒. 由于CZTS晶体的易解理面是(112), 晶界面与(112)面平行的扭转晶界 3*[221]和 6*[221] 等不破坏原有晶体的基本结构, 它们的晶界能很小, 而且其电子结构与晶体内部基本相同, 因此尽管它们大量存在于CZTS材料中, 但是对材料性质仅有很小的影响. 通过比较晶体、晶界、空腔的表面和纳米棒的电子结构和光吸收系数, 我们可以看出: 这些微结构会在带隙内引入新的能级(复合中心), 同时高的孔隙率会降低(大于1.3 eV)光的吸收系数, 因此提高CZTS薄膜的致密度是提高CZTS太阳能电池效率关键.

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