无机光伏材料缺陷的第一性原理研究

摘要

随着全球环境的恶化以及能源消耗的加剧，开发和利用可再生能源的重要性日益突出。因此，开发新能源和可再生的清洁能源已经成为未来世界经济发展中具有决定性领域的技术之一。可再生能源中最具代表性的是太阳能光伏技术。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了缺陷对无机光伏材料性能的影响，主要结论如下：
　　1.研究了硅空位在硅Σ3(112)对称晶界中的结构和作用。发现硅空位在此晶界中的形成能明显低于其在硅体相中的，说明硅空位能大量沉积在此晶界中。同时发现，硅空位在此晶界内沉积后，通过消除原来晶界内的硅多余的键，从而达到钝化深能级的目的。同时如果硅空位形成后，晶界内有悬挂键，氢能消除此悬挂键产生的深能级。我们的计算表明在多晶硅材料中氢仍然具有很好的钝化作用。
　　2.研究了氧在富碲碲化镉Σ3(112)晶界中的作用。研究发现，氧易于在此晶界内沉积并且易于替代具有悬挂键的碲原子。在富碲碲化镉Σ3(112)晶界中，因为碲与碲之间强烈的相互作用，具有悬挂键的碲原子是此晶界中深能级的主要来源。但是，当此碲原子被氧原子替代后，此碲原子产生的深能级往价带内移动。我们发现，由于氧碲原子之间的原子半径和电负性的差异，当氧替代碲后，晶界内有较大的弛豫。这种较大的弛豫作用减少了阴离子-阴离子之间的相互作用，从而使得深能级向低能区域移动，更接近于价带顶。同时我们发现氧在富阴离子CuInSe2，CuInS2，CuGaSe2，CuGaS2，Cu2ZnSnSe4，和Cu2ZnSnS4晶界中也有类似的作用。
　　3.研究了CoAl2O4本征和外来杂质的掺杂性质，计算了本征和外来杂质的转变能级以及形成能。我们发现对于本征杂质，Al替代Co是浅施主杂质，而Co空位和Al空位都是浅受主杂质。但是，因为强烈的杂质补偿效应的存在，仅仅在富氧条件下CoAl2O4才能表现微弱的p型导电性。我们发现对于外来杂质而言，CoAl2O4具有强烈的反对称掺杂的性质：在富氧条件下，通过掺杂Li或者Na能得到很好的p型半导体；但是无论在富氧还是富Co条件下，本征和外来杂质的掺杂都不能得到很好的n型半导体。这是因为本征杂质，特别是Al替代Co在富氧或者富Co条件下都具有很小的形成能。这种强烈的反对称掺杂提示我们在利用CoAl2O4时应充分利用其p型导电性。在电子或者光电器件实验中需要p-n结的情况下，应选择其他具有n型导电性的半导体与CoAl2O4一起来形成异质结。
　　4.研究了Co基尖晶石氧化物合金CoX2O4(X=Al，Ga和In)的电子性质和光学性质。我们的结果表明，利用阳离子(Al，Ga和In)s轨道能级的差异及其离子半径的差异，通过控制合金中的组份可以调制合金的带宽、电子性质和光学吸收性质。我们得到的关于合金组份的能带图谱为合成满足光电化学分解水所需的电子性质和光学性质的Co基尖晶石氧化物提供了详细的指导。同时我们的结果对于设计满足高效光制氢异质结组件也具有一定的参考意义。

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第一章 绪 论

1.1 太阳能光伏技术

1.2 缺陷及缺陷分类

1.3 晶界偏析

1.4 晶界及研究现状

1.5 光电化学分解水及研究现状

1.6 论文研究内容

第二章 研究方法及理论基础

2.1 引言

2.2 密度泛函理论

2.3 布洛赫定理

2.4 周期性超单元近似

2.5 电子和核的相互作用-赝势近似

2.6 缀加平面波方法

2.7 第一性原理软件包VASP简介

第三章 硅空位与硅Σ3(112)晶界的相互作用的研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 计算模型

3.4 硅空位与硅Σ3(112)晶界的相互作用

3.5 氢和硅空位与硅Σ3(112)晶界的相互作用

3.6 本章小结

第四章 氧与二元及多元晶界的相互作用的研究

4.1 前言

4.2 计算方法

4.3 形成能

4.4 氧与碲化镉富碲晶界相互作用

4.5 氧与三元化合物富阴离子晶界相互作用

4.6 氧与四元化合物富阴离子晶界相互作用

4.7 本章小结

第五章 CoAl2O4反对称掺杂的研究

5.1 前言

5.2 计算方法

5.3 形成能

5.4 化学势

5.5 CoAl2O4的体相性质以及本征缺陷

5.6 Ⅰ族元素的掺杂

5.7 Ⅱ族元素的掺杂

5.8 Ⅲ族元素的掺杂

5.9 Ⅳ和Ⅴ族元素的掺杂

5.10 替位缺陷CO，NO和FO

5.11 本章小结

第六章 CoX2O4 (X=Al, Ga, In)合金的电子性质和光学性质的研究

6.1 前言

6.2 计算方法

6.3 光学吸收系数

6.4 CoX2O4 (X=Al, Ga, In)体相性质

6.5 Co(Al1-xGax)2O4 Co(Al1-xInx)2O4 Co(Ga1-xInx)2O4合金的性质

6.6 Co(AlxGayIn1-x-y)2O4合金的性质

6.7 合金图谱

6.8 本章小结

第七章 结 论

7.1 全文总结

7.2 论文创新点

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果