Cu2ZnSnS4薄膜太阳能电池界面电学性质和钝化机理的第一性原理研究

摘要

Cu2ZnSnS4（简称CZTS）基薄膜太阳电池因其具有优异性能，并含有地球中含量丰富元素Zn，Sn，因此引起了越来越多研究者的重视。CZTS薄膜太阳能电池具有复杂的层状结构：钠钙玻璃|Mo背电极|CZTS吸光层|CdS缓冲层|ZnO窗口层|电极，这是其光伏效应的物理基础。CZTS电池的光电性能，不仅取决于各层材料的成分与性能，还取决于层间界面的成分、结构和性能，这是由于界面处结构的突变会导致界面态的出现，使半导体的能带结构发生了改变，这将对电池性能产生的不利影响。因此研究CZTS太阳电池界面结构和消除界面态具有重要意义，本文采用第一性原理计算方法从原子层次上分别研究了CZTS薄膜太阳能电池CdS（110）/WZ-ZnO（112）界面和CZTS（102）/WZ-ZnO（110）界面的晶格结构和电学性质，并在此基础上对CZTS/WZ-ZnO界面费米能级附近的界面态钝化机理进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴从原子层次上计算了CdS体相、WZ-ZnO体相、CdS（110）表面、WZ-ZnO（112）表面以及WZ-ZnO（112）/CdS（110）界面的晶格结构和电学性质（包括能带结构、态密度、光学性质及电子的电荷转移）。发现如下：1）WZ-ZnO（112）/CdS（110）界面的错配度为4.3%，表明缓冲层CdS和窗口层WZ-ZnO形成的WZ-ZnO/CdS界面能够很好的匹配；2）WZ-ZnO/CdS界面的结合能为-0.61J/m2，优化后界面处的原子沿着不同方向发生了移动，原子键长在优化后发生了轻微的伸长和缩短；3）WZ-ZnO/CdS界面费米能级附近没有界面态存在，这将有利于电子和空穴分别通过此界面；4）界面处Cd、S、Zn、O原子的s、p、d电子轨道存在不同程度的杂化，界面处不同原子间存在着一定数量的电荷转移，这些不同原子间电子轨道杂化和电荷转移促进了WZ-ZnO（112）/CdS（110）界面的结合。⑵从原子层次上研究了不含CdS缓冲层的CZTS薄膜太阳能电池吸光层材料CZTS和窗口层材料WZ-ZnO材料形成的Cu2ZnSnS4（102）/WZ-ZnO（110）界面晶格结构和电学性质。主要发现如下：1）CZTS（102）/WZ-ZnO（110）界面错配度小于3.2%，其界面结合能为-0.21 J/m2；2）CZTS（102）/WZ-ZnO（110）界面成键很不规则，优化后的界面附近两侧原子发生了不同程度的伸长或压缩；2）能带偏移计算结果表明CZTS/WZ-ZnO界面结合属于是第一种类型（type I）的异质结结合，界面处的导带偏移值为0.4 eV，这将会导致通过界面的光生载流子减小。导致该电池转换效率降低；3）在CZST/WZ-ZnO界面费米能级附近处存在很高的界面态密度峰值，分析表明这些界面态主要来自界面处CZTS侧第一层的Cu原子的3d轨道、Sn原子的5s轨道、S原子的3s和3p轨道，WZ-ZnO侧第一层Zn原子的4s和3d轨道、O原子的2s和2p轨道；4）界面处存在一定程度的电荷转移和电子轨道杂化。界面处成键不规则以及存在的大量的界面态对CZTS/ZnO界面结合和电子传输产生极大不利影响，这也是该电池转换效率偏低的原因之一。⑶由于CZTS/WZ-ZnO界面费米能级附近存在很高的界面态，其界面态主要由界面处CZTS的Sn原子3d电子轨道贡献。因此本文分别探讨了F、Cl、H原子钝化消除Cu2ZnSnS4（102）/WZ-ZnO（110）界面态的方法。在分析F、Cl、H原子钝化Cu2ZnSnS4（102）/WZ-ZnO（110）界面后，主要发现如下：F、Cl、H原子都可以在一定程度上消除界面费米能级附近部分界面态；H、F原子钝化界面态的效果好于Cl原子；拜德电荷分析表明F、Cl、H能够得到一些可能导致界面态的电子，这也是CZTS/WZ-ZnO界面处界面态能够被部分消除的原因。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题概述

1.2 课题研究背景

1.3 太阳能电池的基本介绍

1.4 课题的国内外研究现状

1.5 本文研究内容

第2章 理论基础与计算方法

2.1 第一性原理的简介

2.2 第一性原理理论基础

2.3 计算方法

2.4 电子结构

2.5 计算软件介绍

第3章 CdS/WZ-ZnO界面的晶格结构和电学性质研究

3.1 引言

3.2 计算方法和模型

3.3 计算结果分析

3.4 本章小结

第4章 Cu2ZnSnS4/WZ-ZnO界面结合和电学性质研究

4.1 引言

4.2 计算方法和模型

4.3 计算结果分析

4.4 本章小结

第5章 Cu2ZnSnS4/WZ-ZnO界面钝化机理的研究

5.1 引言

5.2 计算方法和模型

5.3 结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录