Cu_2ZnSnS_4晶界性质与光伏效应的第一性原理研究

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Cu_2ZnSnS_4(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Σ3*[221]和Σ6*[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.