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)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エ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。