第一原理計算によるCu_2ZnSnS_4（CZTS）の結晶構造と電子構造の解析

摘要

Cu_2ZnSnS_4 (CZTS) is a promising material for an absorber layer in the thin film solar cell. Atomic and electronic structures of CZTS are discussed on the basis of the first principle pseudopotential method. The generalized-gradient approximation is adopted to describe electron-electron interactions within framework of the density functional theory. CZTS is usually assumed to have the stannite or kesterite structures, but one can consider three other structures under the condition that a S atom is bonded to 2 Cu, 1 Zn, and 1 Sn atoms. For each of five structures, the lattice constants and atom positions are optimized, and the total energy and density of states are calculated. The energy difference per atom between the structures is smaller than the thermal energy at room temperature, and therefore, CZTS is expected to be composed of the five phases with different crystal structures. There is no significant difference in the density of states spectrum between the structures..%Cu_2ZnSnS_4（CZTS）はヘテロ接合型太陽電池の光吸収層材料の新材料として期待されている物質である。本研究では、第一原理計算によってこの物質の結晶構造と電子構造を解析した。一般的には CZTS はスタナイト構造またはケステライト構造をとるとされているが、「S 原子がCu 原子2個、Zn 原子1個、Sn 原子1個と結合」という条件を満たす単位格子は計5通りある。その5通りの結晶構造について、エネルギーを最小化する格子定数と原子位置を求め、全エネルギーと電子状態密度を計算した。得られた各構造の全モネルギーに大きな違いはなく、原子一個あたりに換算したエネルギー差は室温の熱エネルギーよりも小さかった。よってCZTS は5通りの原子配列の構造が混ざった結晶になると考えられる。状態密度に関しても構造間に顕著な差は見られなかった。