（物理学专业论文）ga掺杂cuinse2电子结构和光学性质的第一性原理研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已经 注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得凼墓直盔堂及其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者魏缝擎 e t期：型! ! ：! 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙吉大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古 大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：查薛聋 日 期： 2 2 f ! z 指导教师签名：巡 日期： 2 i r l 0 g a 掺杂c u i n s e 2 电子结构和光学性质的第一性原理研究 摘要 半导体化合物c u l n s e 2 是铜铟硒薄膜太阳能电池吸收层的基本材料，通过对 c u i n s e 2 材料的掺杂，可以有效的提高c i s 太阳能电池的转换效率，其中利用 g a 元素部分替代i n 元素是实验上常用的手段。本文采用基于密度泛函理论 ( d f t ) 的全电子势线性缀加平面波方法( f p l a p w ) ，对g a 掺杂的c u l n s e 2 材料的电子结构和光学性质进行了第一性原理研究。首先我们对掺杂和未掺杂 的c u l n s e 2 晶体的几何结构进行了优化，在此基础上，理论计算了g a 掺杂c u l n s e 2 晶体结构参数，对g a 掺杂浓度分别为1 8 、1 4 和1 2 的c u ( i n ，g a ) s e 2 的总 态密度、分波态密度、能带结构及其光吸收系数进行了计算和对比分析，讨论 了g a 掺杂对c u l n s e 2 晶体性能的影响。 关键词：铜铟硒，g a 掺杂，电子结构，光学性质，第一性原理 f i r s t - p r i n c i p l e ss t u d i e so fe l e c t r o n i cs t r u c t u r e sa n do p t i c a lp r o p e r t i e s o fc u i n s e 2d o p e dw i t hg a a b s t r a c t t h ec o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rc o p p e r - i n d i u m d i s e l e n i d ei st h eb a s i cm a t e r i a lo f a b s o r b i n gl a y e ro fc u l n s e 2t h i nf i l ms o l a rc e l l s t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fs o l a r c e l l sc a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l yb yd o p i n gc u l n s e 2t h i n f i l m s ，a n dp a r t i a l s u b s t i t u t i o no fg af o ri ni nt h ec u l n s e 2i st h ea c c u s t o m e dm e t h o d si ne x p e r i m e n t i n t h i sa r t i c l e ，t h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r e sa n do p t i c a lp r o p e r t i e so fg a d o p e dt e t r a g o n a l c h a l c o p y r i t ec u l n s e 2w e r ec a l c u l a t e du s i n gf u l l - p o t e n t i a ll i n e a r i z e da u g m e n t e dp l a n e w a v em e t h o d ( f p l a p w ) b a s e do nt h ed e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) a tf i r s t ， l a t t i c ep a r a m e t e r so fd o p e da n du n d o p e dc u l n s e 2w e r eo p t i m i z e dg e o m e t r i c a l l y o n t h i sb a s i s ，t h et o t a la n dp a r t i a ld e n s i t yo fs t a t e s ，b a n ds t r u c t u r e sa n da b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t so fd o p e da n du n d o p e dc u ( i n ，g a ) s e zw e r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r a t i v e a n a l y z e d ，i nt h ec a l c u l a t i o n s ，t h eg ad o p e dc o n c e n t r a t i o n sw e r e1 8 ，1 4a n d1 2 e f f e c to fg ad o p i n go nc r y s t a lp e r f o r m a n c eo fc u l n s e 2w e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o p p e r - i n d i u m - - d i s e l e n i d e ；g a - d o p e d ；e l e c t r o n i cs t r u c t u r e ；o p t i c a l p r o p e r t i e s ；f i r s tp r i n c i p l ec a l c u l a t i o n 目录 第一章引言l ( 一) 研究背景1 1c u i n s e 2 薄膜太阳能电池1 2g a 掺药鲁c u i n s e 2 2 ( 二) 本文的主要工作4 第二章理论基础和计算方法5 ( 一) 密度泛函理论5 1 绝热近似5 2h o h e n b e r g - k o h n 定理一6 3k o h n s h a m 方程一8 4 交换关联泛函9 ( - - ) 线性缀加平面波方法1 0 ( 三) w i e l l 2 k 软件包1 2 ( 四) 半导体带间光跃迁1 4 1 光吸收的描述1 4 2 介电函数的虚部。1 5 3 光吸收系数16 第三章g a 掺杂c u i n s e 2 电子结构的第一性原理研究1 7 ( 一) 晶体结构及计算细节17 1c u i n s e 2 晶体结构17 2 计算细节17 ( 二) 结果与讨论1 9 1 电子结构1 9 2 光学性质2 6 ( 三) 总结2 8 参考文献2 9 致谢3 2 内蒙古大学硕士学位论文 第一章引言弟一早jj 百 随着人类社会的不断发展，人与自然的矛盾也愈来愈突出。目前全世界范围面临的最为 突出的问题是环境与能源，即环境恶化和能源短缺。太阳是一个巨大的能量库，每时每刻都 在向外界辐射能量，每秒钟抵达地表太阳辐射的能量就相当于5 0 0 万吨煤完全燃烧放出的能 量，每小时抵达地表的太阳辐射能量够全人类使用一年【l 】。太阳能电池是一种近年发展起来 的新型电池，利用太阳能电池可以无任何材料损耗地将太阳能转化为人类可利用能量的最高 级形式电能。为了充分有效地利用太阳能，人们发展了多种材料制作成太阳能电池。太 阳能电池按材料不同可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰 电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。对太阳能电池材料的一般要求 是：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污 染；便于工业化生产且材料性能稳定。近年来人们对太阳能电池材料的研制和利用，已显 示了积极有效的作用。 ( 一) 研究背景 1c u l n s e 2 薄膜太阳能电池 c u l n s e 2 薄膜太阳能电池属于多元化合物薄膜太阳能电池。多元化合物薄膜太阳能电池的 材料主要包括g a a s 等i i i v 族化合物、c d s 、c d t e 及c u l n s e 2 等。薄膜太阳能电池具有 较高的光电转换效率，而且由于薄膜太阳能电池的光吸收层是直接带隙半导体，所以光 吸收系数较高，几微米厚就可以吸收绝大部分太阳光【2 】。因此与其它太阳能电池相比， 薄膜太阳能电池需要的材料较少，成本较低，并且也易于大规模生产。但是，其中由于 镉有剧毒，所以c d s 、c d t e 薄膜太阳能电池会对环境造成污染。而对于砷化镓i i i v 族 化合物太阳能电池，虽然它的光学带隙十分理想，具有吸收效率高( 转换效率达到 2 1 9 5 3 1 ) 、抗辐射能力强以及对热不敏感等优点，但是砷化镓材料的价格昂贵，因而在 很大程度上限制了砷化镓电池的普及。 c u l n s e 2 薄膜太阳能电池适合光电转换，其衬底为一些廉价材料，可以采用大面积连续化 内蒙古大学硕士学位论文 制造成膜工艺，生成成本是晶体硅电池的1 3 1 2 ，能量偿还在一年之内，远远低于晶体硅太 阳能电池。c u i n s e 2 薄膜太阳能电池的性能稳定，使用过程中性能基本无衰降，寿命大于2 5 年。 c u i n s e 2 中点缺陷和电中性缺陷对等的形成能较低，可使c u 迁移效应成为动态可逆过程，这种 c u 迁移和点缺陷反应的动态协同作用导致受辐射损伤的c u i n s e a 薄膜太阳能电池具有自愈合 能力【4 】。c u l n s e 2 薄膜太阳能电池还具有光谱响应范围宽、弱光特性好、抗干扰抗辐射能力强、 性能良好和工艺简单等优点，所以c u i n s e a 薄膜太阳能电池由于具备以上特点而成为新一代太 阳能电池的主流产品。 薄膜太阳能电池共由5 层组成：衬底层、背接触层、光吸收层、缓冲层和窗口层。而薄膜 太阳能电池的光吸收层对太阳能电池的吸收以及转换效率都起着至关重要的作用。光吸收层 的光吸收系数、禁带宽度和少子寿命是薄膜太阳能电池的三个重要指标。1 9 5 3 年，德国科学 家h a h n 等人首次合成y c u i n s e 2 t s 】。在1 9 7 4 年，w a g n e r 利用单晶c u i n s e 2 作为吸收层研制出高 效太阳能电池，这是光吸收层光伏材料崛起【6 】的标志。当时，单晶c u i n s e 2 是在一个c u i n s e 2 c d s 异质结器件里作为光敏器件的组成部分诞生的，主要用于探测远红外光。到了1 9 7 6 年，第一 个c u l n s e a 多晶薄膜太阳能电池才真正诞生【j 7 1 。之后，由于c u i n s e 2 作为太阳能电池光吸收层时 具有较高的光吸收系数，c u i n s e 2 材料引起了研究者们的广泛注意。 2g a 掺杂c u i n s e 2 提高太阳能电池的转换效率是目前研究的主要方向。在实验生产上，研究者们在c u i n s e a 的基础上通过改变生产方式、引入新技术以及改变材料组成成分等方法发展了许多相同体系 的太阳能光电材料，包括c u g a s e 2 、c u ( i n ，g a ) s e 2 、c u i n s 2 、c u i n ( s ，s e ) 2 等。目前，以c u ( i n ，g a ) s e a 作为光吸收层【8 】材料的薄膜太阳能电池较其他材料具有较高的转换效率。2 0 0 8 年，美国“全 国可再生能源实验室 发明了一种转换效率为1 9 9 e 9 l f l o c u ( i n ，g a ) s e 2 薄膜太阳能电池。2 0 1 0 年，据互联网有关新闻报道，德国斯图加特“太阳能氢气研究中心 的研究人员通过改进涂 层技术，又发明了一种由铜、铟、镓和硒醚制成转换效率达到2 0 1 e m 】的高效率太阳能电池。 这种具有2 0 1 的转换效率的电池已经可以和晶体硅太阳能电池相媲美，是目前世界上转化效 率最高的薄膜太阳能电池。 c u i n s e 2 材料的理论研究始于2 0 世纪8 0 年代中期。c u i n s e 2 薄膜太阳能电池能量转换的基 础是p n 结的光生伏特效应，因此研究者主要从价带理论角度对三元黄铜矿化合物的能带和晶 格结构进行了分析，同时对c i s 材料内部各种缺陷( 点缺陷，第二相等) 的生长与材料组分的关 系也进行了深入的研刭】。 2 堕鍪直奎堂堡主兰垡堡茎 在第一性原理研究方面，2 0 0 4 年m b e l h a d j ，a t a d j e r , b a b b a r , z b o u s a h l a 等人对 c u i n s e 2 、c u g a s e 2 1 拘电子结构和光学性质进行了计算研对1 2 】；2 0 0 6 年n i m e d v e d e v a ，e v s h a l a e v a ，m v k u z n e t s o v 和m v y a k u s h e v 对c u l n s e 2 、c u ( i n ，g a ) s e 2 的形变行为和结构缺陷进 行了研搿1 3 】；2 0 0 7 年冯晶，肖冰，陈敬超对c u l n s e 2 电子结构与光学性质进行了第一性原理计 算【1 4 1 ；2 0 0 9 年李宗宝对n a 掺杂c u l n s c 2 的电子结构进行了第一性原理研究【1 5 】。2 0 1 0 年m c h a n d r a m o h a n a ，s v e l u m a n i b ，t v e n k a t a c h a l a m c 用l d a c ap z 和g g a p w 9 1 处理交换关联 能部分计算t g a 掺杂浓度分别为1 4 、1 2 、3 4 的c u ( i n ，g a ) s e 2 的能带带耐1 6 1 。 太阳能电池的理论效率由下式【1 刀决定： ，7 ：生三坐 ( 1 1 ) 圪s f f = 圪厶吃l ( 1 2 ) 当入射太阳光谱确定以后，太阳能电池的理论效率就取决于开路电压圪。、短路电淝。和填充 因子胛，由于电池的基本参数对这三个参量的影响机制不同，使得它们之间往往是互相牵制 的。c u ( i n ，g a ) s e 2 是通过g a 原子替代掺杂c u l n s e 2 晶体中部分i i l 原子而形成的化合物。g a 掺杂 c u i n s e 2 产生的最直接的影响是可以扩宽带隙8 1 ，太阳能电池吸收层的带隙扩宽可提高开路电 压圪。【1n ，从而提高太阳能电池的转换效率。 在光电能量转换过程中，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态。在这些电 子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：价带电子、自由电子或空穴以及存在于 杂质能级上的电子。太阳能电池可利用的电子主要是价带电子。由价带电子得到光的能量跃 迁到导带的过程决定光的吸收效率。当太阳光照射到太阳能电池上时，在吸收层内的价带电 子吸收能量跃迁到导带，同时在价带中产生空穴，电子空穴对在空间电荷区被p 型( c ur i c h ) 与n 型( i nr i c h ) 结的内建电场分开，电子流入n 区，空穴流入p 区，结果使n 区储存了过剩的电子， p 区有过剩的空穴。它们在p n 结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消 势垒电场的作用外，还使p 区带j 下电，n 区带负电，在n 区和p 区之间的薄层就会产生电动势， 这就是光生伏特效应。如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流 过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将p n 结两端开路，则由于电子和空穴分别流入n 区和p 区，在这两个区之间就产生了电位差，这个值称为开路电压。太阳能电池的开路电压由 内建电场的电势差决定，光吸收层的带隙越宽，内建电场的电势差越大，开路电压也越大， 但同时短路电流会减小。 c u l n s e 2 是直接带隙半导体材料，7 7 k 时其禁带宽度为e g = 1 0 4 e v 1 8 】，3 0 0 k 时 3 内蒙古大字坝士字位论文 e g = 1 0 2 e v 1 9 1 ，其禁带宽度对温度的变化不敏感。在c u i n s e 2 薄膜中通过改变g a 的掺杂浓度可 以改变其禁带宽度，使其带隙范围覆盖1 0 5 1 7 e v 1 9 1 。目前实验上取得的c u ( i n ，g a ) s e 2 高效太 阳能电池的g a 掺杂浓度在0 2 - - 0 3 【2 0 。2 1 1 之间，相应的禁带宽度为1 1 5 e v 1 6 1 左右。文献 2 2 1 的研 究认为g a 掺杂浓觑防= g a ( g a + i n ) 其中， 嘶莉堋硅军帮h 2 2 + 三2 i , 。j 南 2 ) 5 内蒙古大学硕士学位论文 巩( _ ) 吲- ) + ( _ ) = 一手参v 专吾( i 一动 皿一( ；，_ ) = 一圪一( i 一_ ) i , y ( 2 3 ) ( 2 4 ) 因为原子核的质量是电子质量的一千倍以上，速度比高速运动的电子小得多，因此可以 近似地认为原子核是静止的，并提供一个固定的核势场。电子能绝热于核运动，而原子核只 能缓慢的跟上电子分布的变化。这样就将原子核和电子的运动分开来考虑：考虑电子运动时 原子核是处在它们的瞬时位置上，而考虑核的运动时由于迅速运动的电子都能立即进行调整， 建立起与变化后核势场相应的运动状态，所以不需要考虑电子在空间的具体分布，这就是著 名的b o r n o p p n e h e m i e r - 近似，或绝热近似【2 3 】。 2h o h e n b e r g - k o h n 定理 假设电子是在原子核和其它电子所形成的平均场中运动，就是人们常提到的单电子近似， 这样就把有相互作用的复杂系统转化为无相互作用的简单系统。密度泛函理论给出了将多电 子问题简化为单电子问题的理论基础。密度泛函理论基础是建立在h o h e n b e r g 和k h o n 的关于 非均匀电子气理论基础上的，他们在处理外势中运动的相互作用电子体系的基态时，首先采 用电荷密度户( ；) = f j 1 沙( ；- ，；z ，- ) 1 2 d ；- d ；作为描述体系性质的基本变量，且有 p ( ；矽；= 同时他们提出了两个基本定理，称之为h o h e n b e r 争k o h l l 定理【2 4 - 2 5 】： 定理一不计自旋的全同费米子系统的基态能量是粒子数密度函数p ( f ) 的唯一泛函。 定理二对给定的哈密顿量，能量泛函e o p 】对j 下确的粒子数密度函数p ( 尹) 取极小值，并 等于基态能量。 定理一的证明： 不计自旋的全同费米子系统的哈密顿量为 h = t + u + v ( 2 5 ) 其中动能 丁= 一防+ ( 尹) v 2 ( 尹) ( 2 6 ) 库仑能 6 内蒙古大学硕士学位论文 u = 丢胁南叭御v 修( 砷( 乃 ( 2 7 ) 假定对所有电子都有相同的局域势u ( 尹) ( a 括电子之间的关联、原子核势场、外场等) ，则 y = 卜伊d ( 尹) 少+ ( 尹) 吵妒) ( 2 8 ) 因为t 和u 项是固定的算符，哈密顿量完全由d 扩) 确定，记之为n v 】。 薛定谔方程为 日叫k ) = i k ) ( 2 9 ) 我们只考虑它的基态解。因为局域势需要和多电子系统的薛定谔方程的解自洽，所以u ( 尹) 和 基态波函数i ) 有关。现在需要证明的是，d ( 尹) 唯一地被电子密度函数p ( f ) 所确定。 p ( o = ( k 陟+ ( 尹) ( 尹) i k ) ( 2 1 0 ) 设对于另一局域势u ( 尹) ，h v 的基态i w ) 满足薛定鄂方程 据变分原理， n v 7 】| 彤) = 鼠i w ) 凰= ( 1 日m i k ) ( w1 日t o l w ) = ( wp m + 矿一y i 州) + ( wi v - v i v ；) 利用n v 】= 日 u 】+ 矿一矿，得 ( 2 1 1 ) 凰 蜀+ ( wl v - v i v ；) ( 2 1 2 ) 系统日 u 】的电子密度函数为p ( 尹) = ( w 陟+ ( 尹) 沙( 尹) i w ) 。把( 2 8 ) 代入( 2 1 2 ) 式得 同理可得， 即 e o 耳+ 胁( 尹) 0 ( 尹) 一。7 ( 尹) ) ( 2 1 3 ) 耳dc2i。|v 暑暑竹售量西毒d 内蒙古大学硕士学位论文 带带宽减小，带隙偏低，但这并不影响我们对电子结构的理论分析【3 5 1 。 为了得出g a 掺杂浓度的电子结构的影响，以下给出掺杂浓度分别为1 8 ，1 4 ，和1 2 的c u ( i n ，g a ) s e 2 态密度以及相应体系沿布里渊区高对称点方向的能带结构。由于晶格常数和计 算结果都不受其掺杂位置的影响，在1 4 的掺杂浓度的计算中选用( o ，0 ，o 5 ) 掺杂位置。 _ 、 3 蜜 鲞 图3 4c u i n o 8 7 5 g a o 1 2 5 s e 2 能带和总态密度 f i g u r e3 4b a n ds t r u c t u r ea n dp a r t i a ld e n s i t yo f s t a t e so fc u i n o 8 7 5 g a o 1 2 5 s e , 2 本文计算得n c u i n o 8 7 5 g a o 1 2 5 s e 2 的禁带宽度为0 4 8 e v ( o 3 3 0 7 6 , - - - , 0 8 0 6 9 6 e v ) ，对比掺杂 前后的态密度图发现：由于g 蛐、4 s 电子的加入，原有价带中的电子向低能级移动，远离 费米能级，并且g a 掺杂使价带略有下移，导带略有上移，禁带宽度增加。 掺杂后的能带结构变得更为复杂，这是由于掺杂后理论计算的超晶格尺寸加大使单胞所 包含原子个数增多，能带条数增加。同时，根据晶体场理论，g a 掺杂使晶格静电场的对称性 降低，所有c u 和i n 原子的p 、d 轨道( 相对于纯的c u l n s e 2 ) 发生分裂，它们的二重简并轨道( p x 协， d x y + d v z ) 均分裂为两个处于低能级的轨道，g a 原子的p 、d s l , 道的二重简并轨道也发生分裂， 简并消除，轨道增多。轨道分裂使电子更多地占据在低能级上，所以价带电子体现出向低能 级移动的趋势致使价带下移。 为了深入分析g a 掺杂对c u i n s e 2 电子结构的影响，对各原子的部分电子态密度进行了分 析。 2 1 内蒙古大学硕士学位论文 埔 旦 丑 右 各 商 o 凸 图3 5c u l n o s 7 5 g a o 1 2 5 s e 2 分波态密度 f i g u r e3 5p a r t i a ld e n s i t i e so f s t a t e so fc u i n o 8 7 5 g a o 1 2 5 s e 2 结果表明：g a 4 p 态在价带中主要分布于中间价带和导带1 6 c v 以上部分；在导带底大约 o 8 1 e v - - 一1 6 e v 处，主要为g a 一4 s 电子。由于掺杂元素g a 的原子能级与i n 不同的新能级的引入， 使晶体中i n 一5 s 与s e 一4 p 能级问的杂化受到影响。g a 替代1 1 1 原子与周围s e 原子在导带底大约 o 8 1 e v - i 6 e v 处发生轨道杂化，使导带向高能级移动。 o，u仑芍心19v 暑要毋芎釜日co 内蒙古大学硕士学位论文 羹 凸 韭 瑟 垂 o 7 o 鲫 5 o t o 3 o 2 0 i o o o 1 o 2 0 3 o 4 o - 5 o - 6 o a n 图3 6c u i n o 7 5 g a o 2 5 s e 2 能带和总态密度 f i g u r e3 6b a n ds t r u c t u r ea n dt o t a ld e n s i t yo fs t a t e so fc u i n o 7 5 g a o 2 5 s e 2 i 主 芑l 瑟 图3 7c u l n o 7 5 g a o 2 5 s e 2 的分波态密度 f i g u r e3 7p a r t i a ld e n s i t i e so fs t a t e so fc u l n o 7 5 g a o 2 5 s e 2 93蜜墨 罢ojuo面v 暑苗jolico 内蒙古大学硕士学位论文 根据图3 6c u l n o 7 5 g a 0 2 5 s e , 2 的能带相对于c u l n o 8 7 5 g a o 1 2 5 s e z 轨道减少，简并性增强，出现 此现象的缘故除了采用单胞计算外，还因为在此掺杂状态下单胞晶格静电场的对称性较超晶 胞有所增强，只有g a 原子近邻位置( 0 ，0 5 ，0 2 5 ) ( o 5 ，0 ，0 7 5 ) 的c u 和( 0 5 ，0 ，0 2 5 ) ( 0 , 0 5 ，0 7 5 ) 的h 原子的简并的p 、d 轨道发生分裂。但是这并不影响价带电子向低能级移动。当掺杂浓度 为1 4 时，由c u l n o 7 5 g a o 2 5 s e 2 的分波态密度图可以明显看出整体态密度均向低能级移动，致使 费米能级位于导带底。由于导带底g a 原子s 态的局域性，c u l n o 7 5 g a o 2 5 s e 2 呈非金属性【3 5 1 ，导带 上移禁带宽度增大。本文所得c u l n o 7 5 g a o - 2 5 s e 2 禁带宽度0 5 7 e v ( - 0 9 3 8 6 6 。0 3 6 7 2 2 e v ) ，根 据( 1 1 ) 式，禁带宽度增加，太阳能电池的开路电压得到提高。另一方面，对于转换效率而 言，费米能级位于导带，使空穴在导带的聚集的可能性减小，增加载流子的浓度和运动性， 因此可以弥补禁带宽度增加引起的短路电流的减小。 2 5 竹 2 0 善 右墨1 5 扫石 薹量，。 5 o八 弋。一 d m 国d 且m m d d m m d d m d 8 7 6 s 4 ，2 t a 1 2 3 4 5 6 一3蜜鲞 内蒙古大学硕士学位论文 呈 暑 葛 鲁 兽 占 图3 9c u i n o 5 g a o 5 s e a 的分波态密度 f i g u r e3 9p a r t i a ld e n s i t i e so f s t a t e so f c u i n o 5 g a o s s e 2 而对于c u i n o 5 g a o 5 s e a ，从态密度图可以看出它的价带靠近费米能级，能带相对于 c u i n o 7 5 g a o 2 s s e 2 简并化状态明显，趋于未掺杂状态，禁带宽度减小，本文计算为0 4 6 e v ( o 3 0 5 7 2 - - 0 7 6 8 3 2 e v ) 。由分波态密度可知，此时随着掺杂的g a 原子增多轨道间杂化起主 导作用，从而使能带上移。 此掺杂是浅能级掺杂，掺杂后导带底的第一条轨道主要由g a s 态贡献。与态密度图相 对应，不同的掺杂浓度可引起此轨道与费米能级的相对位置发生明显变化，c u i n s e a 和 c u i n o s g a o 5 s e 2 的费米能级靠近价带并且与价带有相交部分，c u i n o 8 7 5 g a o 1 2 5 s e e 费米能级的位 置接近能隙，这主要是由轨道分裂引起的。由于c u i n s c 2 属于窄带隙材料，所以禁带宽度在能 带图中并不明显。g a 的掺杂可以增加禁带宽度，当g a s 轨道与费米能级相交时，禁带宽度 值会达到最大。 根据中山大学太阳能系统研究所实验研列2 2 1 ，在瑚3 ( x = g a ( g a + i n ) ) 时，随着x 值的增加， ，cok芍。i一 -旦暑竹售量曲co l，co-石iv 呈面苗jo寺ico ，t|p；u苟v 日。_要苫毒c。o 内蒙古大学硕士学位论文 禁带宽度增加；但是当砭0 3 e v 时，随截的增加，禁带宽度减小。本文所得结论与其结论一 致。 2 光学性质 当光通过固体材料时，由于光与材料中的电子、原子( 离子) 间的相互作用可以发生光 的吸收。介电函数是沟通带间跃迁微观物理过程与固体电子结构的桥梁，反应了固体能带结 构及其他各种光谱信息。c i s 光伏材料属于半导体材料，其相关光谱是由能级间电子跃迁产生 的，光谱峰值可通过能带和态密度来解释。 对于光吸收材料吸收系数是中最重要的一项参数，光吸收系数表示光波在介质中传播单 位距离光强度衰减的百分比。光吸收系数与介电函数之间的关系为3 5 。6 】 国 口2 一乞 ，l c 式中，2 为介电函数的虚部；刀为折射率；c 为光速；为圆频率。 ( a ) c u l n s e 2( b ) c u i n o s 7 5 g a o 1 2 5 s e , 2 ( c ) c u i n o 7 5 g a o 2 5 s e 2 ( d ) c u l n o 5 g a o 5 s e 2 图3 1 0g a 掺杂c u l n s e 2 前后吸收光谱 f i g u r e3 10a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t so fc u l n s e 2a n dg a d o p e dc u l n s e 2 2 6 堕鐾查奎兰堡主兰垡丝茎 理论计算的c u i l l s e 2 吸收光谱如图3 1 1 ( a ) 所示，该吸收谱可分为四部分：o 8 e v 1 1 e v 的红外光弱吸收团3 9 1 ，可能由激子光吸收引起，通常称此为吸收带尾，是低温时带尾呈现出 的精细结构；1 1 e v 3 2 e v 的可见光吸收区域；大于3 2 e v 2 0 4 e v 的紫外光强吸收区域；大 于2 0 4 e v 的高能量紫外光吸收区。吸收峰主要有6 个，分别为1 9e v ，6 8e v ，9 0e v ，1 5 0e v ， 2 0 4e v ，2 7 5e v 。对照态密度图可以看出，这一系列的峰位主要是价带电子向导带跃迁的宏 观表现。前两个峰值主要是c u 3 d 电子向导带跃迁的结果，第3 个峰值主要是c u 一3 d 电子