Optoelectronic Characterization by Advanced Ab-Initio Methods of Novel Photovoltaic Intermediate Band Materials = Caracterización optoelectrónica por métodos ab-initio avanzados de nuevos materiales fotovoltaicos de banda intermedia

摘要

Intermediate-band materials represent nowadays one of the most promising proposals in the quest for more efficient, lower-cost solar cells. In this thesis we present a deep study of transition-metal substituted semiconductors based on their optoelectronic properties. These materials were proposed as high efficiency photovoltaic absorbers for intermediate-band solar cells for showing a partiallyfilled band placed inside the band gap of the parent semiconductor which enables the absorption of photons with energies lower than the band gap. This additional absorption could in principle increase the photocurrent of a cell, producing a significant effect on its performance. Due to the scarcity of experimental results of these materials, it is necessary for the proper understanding of the intermediate band formation, to study their properties theoretically in order to predict their suitability for high efficiency photovoltaic purposes. Our aim is to describe and predict by ab initio methods their properties and especially the contribution of the new intermediate band to their absorption. For that purpose we need a precise description of the electronic structure of the systems. First, an initial approximation to the properties of the material is obtained within Density Functional Theory and that gives us an idea of the possibility of formation of the intermediate band, allowing us to rule out some of the original candidates. But since density functional methods do not give the precision we will further need to obtain the excited-states properties, the use of other advanced ab initio methods is necessary. This work is thus devoted to understanding and analyzing in depth the optical and electronic behavior of intermediate-band materials with different advanced theoretical approaches and the comparison of several first-principles methods, in particular we will compare GW results with those of Density Functional Theory. A special attention is paid to the optical properties of three families of intermediate- band materials: those derived from a III-V semiconductor (GaP), derivatives of chalcopyrite CuGaS2, and derivatives of some thiospinels (In2S3, MgIn2S4 and CdIn2S4). Absorption spectra of all these compounds show a significant increase across the solar spectrum range, due to the transitions in which the intermediate band takes part. As a material to assess the intermediate-band concept, Ti-doped silicon will be analyzed as a contribution to this thesis. Resumen Hoy en d´ıa, los materiales de banda intermedia representan una de las propuestas m´as prometedoras en la b´usqueda de c´elulas solares m´as eficientes y de menor coste. En esta tesis presentamos un estudio de semiconductores sustituidos con metales de transici´on basado en sus propiedades optoelectr´onicas. Estos materiales se propusieron como absorbentes de alta eficiencia para c´elulas fotovoltaicas de banda intermedia, ya que presentan una banda estrecha parcialmente llena alojada en la banda prohibida del semiconductor base. Esta banda permite la absorci´on de fotones con energ´ıas menores que la banda prohibida del semiconductor original, lo que podr´ıa en principio incrementar la fotocorriente de una c´elula, produciendo un importante efecto en su rendimiento. Debido a la escasez de resultados experimentales de este tipo de materiales, es necesario, para la correcta comprensi´on de la formaci´on de la banda intermedia, estudiar sus propiedades te´oricamente para predecir su idoneidad para aplicaciones fotovoltaicas de alta eficiencia. Nuestro objetivo es describir y predecir mediante m´etodos ab initio estas propiedades y especialmente la contribuci´on de la nueva banda a la absorci´on. Para este fin, es necesaria una descripci´on precisa de la estructura electr´onica del sistema. Primero, una aproximaci´on inicial a las propiedades del material se consigue mediante la Teor´ıa del Funcional de la Densidad y ello nos da una idea sobre la posibilidad de la formaci´on de la banda intermedia, lo que nos permite descartar algunos de los candidatos originales. Dado que los m´etodos del funcional de la densidad no dan la precisi´on necesaria para obtener a continuaci´on propiedades de estados excitados, ser´a necesario el uso de otros m´etodos ab initio avanzados. Este trabajo se centrar´a as´ı, en la comprensi´on y el an´alisis detallado del comportamiento electr´onico y ´optico de materiales de banda intermedia con diferentes aproximaciones te´oricas, y la comparaci´on entre ellas, en particular se comparar´an los resultados de las metodolog´ıas GW con los de la Teor´ıa del Funcional de la Densidad. Se prestar´a especial atenci´on a las propiedades ´opticas de tres familias de materiales: derivados de semiconductores III-V (GaP), derivados de la calcopirita CuGaS2, y derivados de algunas tio-espinelas (In2S3, MgIn2S4 y CdIn2S4). Los espectros de absorci´on de todos estos compuestos tras realizar la sustituci´on con el metal de transici´on, presentan un incremento significativo en el rango de energ ´ıas de emisi´on solar, gracias a las transiciones que involucran a la banda intermedia. Como material para validar el concepto de banda intermedia, el Si dopado con Ti ser´a analizado como contribuci´on a esta tesis.