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CuInSe2薄膜太阳能电池材料Al、S掺杂研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 CuInSe2薄膜太阳能电池吸收层材料的研究现状

1.2.2 CuInSe2薄膜太阳能电池无CdS窗口层材料的研究现状

1.3 材料的光学性质简介

1.3.1 材料的光学性质

1.3.2 CuInSe2掺杂后光学性质计算方法

1.3.3 双折射现象

1.3.4 一般吸收与选择吸收

1.4 本文的主要研究内容

第2章 第一性原理方法简介

2.1 第一性原理

2.1.1 玻恩-奥本海默绝热近似

2.1.2 多体系统的薛定谔方程

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.2.3 局域密度近似与广义梯度近似

2.3 HSE06泛函

2.4 第一性原理常用计算软件

2.4.1 Vienna Ab-initio Simulation Package

2.4.2 Materials Studio

2.4.3 WIEN2K

2.4.4 ESPRESSO

第3章 CuInSe2掺杂的光学性质研究

3.1 CuInSe2的晶体结构

3.2 Al掺杂CuInSe2的性质研究

3.2.1 Al掺杂计算结果与讨论

3.2.2 小结

3.3 S掺杂CuInSe2的性质研究

3.3.1 S掺杂计算结果与讨论

3.3.2 小结

3.4 CuInSe2纳米膜的性质研究

3.4.1 纳米膜的建立

3.4.2 纳米膜的光学性质

3.4.3 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

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摘要

Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2型黄铜矿化合物CuInSe2(CIS)体系因其结构的特殊性以及较高的光电转换效率而受到世界各地研究人员的广泛关注。但是由于纯CuInSe2的带隙(1.04eV)距离理想带隙1.5eV较远,人们想通过掺杂提高材料的带隙以提高其光电转换效率。比如,用Ga元素取代CuInSe2中的In元素而得到Cu(InxGa1-x)Se2可以提高带隙,并且可以减少稀有元素In的使用。纯CIS室温下是黄铜矿型结构,其空间群为I42D。研究表明,CIS的带隙可以通过掺杂Ⅲ、Ⅵ族元素(如Al、Ga、S)进行同族元素取代而增加,且掺杂对CIS的晶体结构影响较小,掺杂后的物质具有长期的化学稳定性,所以是很有希望的太阳能电池材料。人们已经通过椭圆偏振光谱等方法对Al、S掺杂CuInSe2做了一些研究,但是理论方面对Al、S掺杂CIS的光学性质研究还比较少。本文采用基于第一性原理密度泛函理论(DFT理论)的HSE06方法计算了Al、S掺杂CuInSe2的晶体结构和光学性质(介电函数、吸收系数、光学带隙、折射指数、反射率等),得到了与实验值比较相符的结果。通过计算可以得到介电函数的虚部和实部,之后推导出了材料的其他光学性质,并在此基础上计算了相应的光学带隙。理论计算结果表明,随着Al、S掺杂浓度的升高,CIS晶格参数a和c减小,材料的带隙增大。我们还计算了CIS纳米膜与CIS体相在光学性质上的差别,并调研了CIS薄膜太阳能电池无CdS缓冲层的研究现状,为实验研究及实际应用提供了理论支持。

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