太阳电池用Cu2ZnSnS4薄膜的反应溅射原位生长及表征

通过直流反应磁控溅射技术,原位生长制备了太阳电池用Cu₂ZnSnS₄(CZTS)薄膜.采用X射线能量色散谱仪、扫描电镜、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计和霍尔效应测试系统对薄膜进行了表征.结果表明,原位生长的CZTS薄膜具有均质、致密和平整的形貌,且由贯穿整个薄膜厚度的柱状颗粒组成.不同基底温度下生长所得薄膜的Cu/(Zn+Sn) 值均约为1,而Zn/Sn值均大于1且随着基底温度升高而减小.所得薄膜在(112)方向上择优取向明显,且结构特征受基底温度和Cu/(Zn+Sn)的共同影响.所得薄膜均具有高达10⁴cm^-1的光吸收系数,其带隙宽度随着生长温度的增加而降低,并且在500℃时为(1.51±0.01)eV.薄膜的导电类型均为p型,且具有与器件级Cu(In,Ga)Se₂(CIGS)相当的载流子浓度. 关键词： 2ZnSnS₄')" href="#">Cu₂ZnSnS₄ 直流反应磁控溅射 原位生长 太阳电池     

高压下Zn2GeO4带隙变化的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Zn₂GeO₄晶体在高压下的电子结构和带隙变化行为. 研究结果发现, 随着压强的增加, Zn₂GeO₄ 能带间隙先变大, 在压强为9.7 GPa时达到最大值, 然后减小. 通过电子态密度、电荷布居数和电子差分密度分布图的研究分析可知:在低压区域(0< P< 9.7 GPa), 带隙的变大主要是由于原子间距离的减小造成的共价性增强和Ge原子随压强的变大局域性增强引起的; 在高压区域(P>9.7 GPa), 则是出现了离域现象, 诱发了离域电子的产生, 从而使带隙减小.     

一种具有减反射性能的Cu2ZnSnS4太阳能电池透明导电氧化物薄膜

通过研究一种新型透明导电氧化物薄膜(transparent conductive oxide, TCO)的减反射作用,探索增加入射光进入Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)太阳能电池从而提高太阳能电池效率的新途径.在AM1.5光照条件下,设计了一种在宽波长范围内具有更好的减反射性能的TCO薄膜,即SiO₂/ZnO减反射TCO薄膜(antireflective transparent conductive oxide, ATCO).为了衡量300—800 nm波长范围内的减反射效果,引入了有效平均反射率方法 (effective average reflectance, EAR)进行测算.为充分考虑折射率色散的影响以及TCO, ATCO薄膜与有源层的耦合,本文采用多维光学传输矩阵对各关键材料层的耦合及膜厚进行了优化,以准确衡量最优的减反射效果.最后,通过比较常规CZTSSC和ATCO-CZTSSC的减反射性能,得到了新型ATCO膜,可以有效地减少光损耗并提高光电转换效率的结论.     

Si4团簇电子输运性质的第一性原理计算

采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法对Si₄ 团簇与Au(100)电极空位相连的纳米结点的电子输运性质进行了理论模拟计算, 得到了纳米结点在不同距离下的几何结构、电子结构、电导、透射谱、电荷转移量; 讨论了当距离d_z=12.004 Å时纳米结点的电导、电流随电压的变化关系. 关键词： 密度泛函理论 非平衡格林函数 4团簇')" href="#">Si₄团簇 电子输运     

Mn掺杂LiFePO4的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 计算了不同Mn掺杂浓度LiFe_1-xMn_xPO₄ (x=0,0.25,0.50,0.75) 的电子结构. 同时采用流变相辅助高温固相碳热还原法制备了LiFe_1-xMn_xPO₄ (x= 0,0.25,0.50,0.75) 材料. 理论计算表明: LiFePO₄具有E_g = 0.725 eV的带隙宽度, 为半导体材料. 通过Fe位掺杂25%的Mn离子可最大程度地 减小材料带隙宽度、降低Fe---O键及Li---O键键能, 进而提高材料的电子电导率及锂离子扩散速率. 实验结果亦表明, 当Mn掺杂量x=0.25时, 材料具有最优的电化学性能, 其具有约为158 mAh· g^-1的放电比容量以及551 Wh· kg^-1的能量密度. 理论计算与实验结果非常符合.     

N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO₂, N, Cu单掺杂TiO₂及N/Cu共掺杂TiO₂ 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO₂禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO₂禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO₂禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.     

Pt/Ce4O8团簇催化活性的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算程序包VASP（Vienna ab-initio Simulation Package）,采用投影缀加平面波（Projector augmented wave,PAW）方法和具有三维周期性边界条件的超原胞模型,对Pt在Ce₄O₈团簇上的吸附特性进行了研究,结果表明Pt在Ce₄O₈团簇上的吸附作用很强,其吸附能大于Pt在CeO₂晶体表面的吸附能.所得吸附构型可分为三类:单键类,双键类和多键类.对其中最稳定吸附构型的电子结构分析表明:Pt的吸附诱导出了间隙态.该态距离费米能级很近,使Pt/Ce₄O₈团簇活性很强.Pt与Ce₄O₈团簇发生了部分电荷转移,从而使其中的一个Ce⁴⁺还原为Ce³⁺.这些结果有助于理解在纳米尺度范围内Pt与CeO₂的协同作用.     

CuInSe2电子结构与光学性质的第一性原理计算

从头计算了CuInSe₂(CIS)体相的性质，参数设定和性质计算都基于密度泛函理论，交换相关能采用GGA，泛函形式为PBE，原子间相互作用的描述采用超软赝势.计算发现CIS中存在共价键，是一种非典型的离子型晶体，在整个晶体内存在共用电子对，Cu原子和Se原子的作用大于Se原子和In原子.CIS是一种典型的直接带隙半导体，计算得到了光学性质的各项参数，包括折射指数和反射率，吸收系数以及介电函数与光子能量的关系，发现CIS的主要光吸收峰有6个，分别为：3.1，7.6，10.0，16.1，19.0，21.0eV，理论上最强吸收峰在紫外光区.     

SrCoO3电子结构和磁学性质的第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的广义梯度近似GGA+U方法对铁磁相SrCoO₃的电子结构和磁学性质进行了系统研究.结果表明:随着U值的增大,对于Co离子,主自旋方向的t_2g和e_g态向低能级移动,而次自旋方向的t_2g和e_g态向高能级移动;O2p电子态的分布基本不随U变化.能带结构表明,U大约在7-8eV之间时,SrCoO₃由金属性转变为半金属性.U值小于7eV时,Co离子的磁矩随着U值的增大几乎成线性增大,而当U大于7eV后基本保持不变.结合实验结果,本文认为U取8eV时得到的计算结果更为合理,Co离子的磁矩为3.19μв,且SrCoO₃表现出半金属特性.     

Rb2TeW3O12电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用平面波超软赝势法对Rb2TeW3O12基态的几何结构、能带结构和光学特性等进行了系统的研究.几何结构研究不仅对基态平衡时的几何参量进行了优化计算，还对内部坐 标做了优化，其结果和实验测量值符合得很好.电子结构的研究表明，Rb2TeW3O12 属于宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度为223eV，W 5d和O 2p轨道之间强烈杂化形成W— O共价键.计算了光学性质，给出了Rb2TeW3O12的介电函数实部ε1、虚部ε 2及相关光学参量，理论计算的静态介电常数为529 关键词： Rb2TeW3O12 电子结构 介电函数 密度泛函理论     

单靶溅射制备铜锌锡硫薄膜及原位退火研究

采用衬底加热溅射铜锌锡硫(CZTS)四元化合物单靶制备CZTS薄膜,并研究原位退火对制备薄膜的影响.结果表明:在溅射结束后快速升温并保持一段时间,所得到的样品相比于未原位退火的CZTS薄膜结晶质量更好,且表面更平整致密;原位退火后的CZTS薄膜太阳电池性能参数也相应地有所提升,其开路电压(V_(OC))为575 mV,短路电流密度(J_(SC))为8.32 mA/cm~2,光电转换效率达到1.82%.     

铜锌锡硫薄膜材料及其器件应用研究进展

铜锌锡硫薄膜材料组成元素储量丰富, 环境友好, 成本低廉, 成为最具前景的薄膜材料之一. 目前, Cu₂ZnSn(S, Se)₄ (CZTSSe)薄膜太阳电池的最高转换效率已经达到12.6%. 本文总结了Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)的发展历史, 依次介绍了CZTS薄膜材料的结构特性、光学特性、电学特性、界面特性和Na对CZTS 薄膜的影响, 详细介绍了CZTS薄膜的制备方法及器件应用的最新研究进展, 总结了目前CZTS薄膜太阳电池发展中存在的问题, 展望了今后的研究方向.     

H,Cl和F原子钝化Cu_2ZnSnS_4(112)表面态的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究了Cu_2ZnSnS_4体相的晶格结构、能带、态密度及表面重构与H,Cl和F原子在Cu_2ZnSnS_4(112)表面上的吸附和钝化机理.计算结果表明:表面重构出现在以金属原子Cu-Zn-Sn终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面上,并且表面重构使表面发生自钝化;当单个H,Cl或F原子吸附在S原子终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面上时,相比于桥位(bridge)、六方密排(hcp)位和面心立方(fcc)位点,三种原子均在特定的顶位(top)吸附位点表现出最佳稳定性.当覆盖度为0.5 ML时,无论H,Cl还是F原子占据Cu_2ZnSnS_4(112)表面的2个顶位均具有最低的吸附能.以S原子终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面在费米能级附近的电子态主要由价带顶部Cu-3d轨道和S-3p轨道电子贡献,此即表面态.当H,Cl或F原子在表面的覆盖度达0.5 ML时,费米能级附近的表面态降低,其中H原子钝化表面态的效果最佳,Cl原子的效果次之,F原子的效果最差.表面态降低的主要原因在于吸附原子从S原子获得电子致使表面Cu原子和S原子在费米能级处的态密度峰几乎完全消失.     

电镀法在氧化铟锡上制备铜锌锡硫薄膜的光谱特征

低成本、环境友好的铜锌锡硫替代含贵金属和有毒金属的铜铟镓硒,是薄膜太阳能电池的最佳选择。电镀法是一种无需真空设备和靶材的低成本方法。一种更简单的制膜方法是在水溶液中共电镀沉积Cu-Zn-Sn（CZT)合金于FTO衬底上。采用氩气保护气氛下在550 ℃硫化电镀法制得的CZT合金前驱体,成功制备了CZTS薄膜。采用三电极体系将CZT合金前驱体电镀在FTO上,其中FTO作为工作电极,铂（Pt）网和Ag/AgCl分别作为对电极和参比电极。电解质由CuSO₄,ZnSO₄,SnSO₄,络合剂-三乙醇胺（TEA）和柠檬酸钠组成。前驱体在氩气保护气氛下550℃硫化得到CZTS薄膜。采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、紫外可见光光谱仪和光电化学测量（PEC）等方法,表征了CZTS薄膜的结构、形貌、成分和光谱学性质。XRD和拉曼光谱证明了550 ℃硫化后的CZTS薄膜具有锌黄锡矿结构。一个Raman主峰位于342 cm-1,两个Raman次强峰分别位于289和370 cm-1,这些峰位与锌黄锡矿CZTS的峰位相吻合。SEM结果证明优化后CZTS薄膜成分接近CZTS的理想化学计量比,CZTS薄膜中Cu/(Zn+Sn）和 S/(Zn+Sn+Cu)分别为0.52和1.01,这表明CZTS薄膜中S的含量非常合适。PEC结果证实,采用前照射或后照射FTO/CZTS均产生光电流,并且两种照射下产生的光电流方向一致。通过紫外可见光光谱测量并由此计算出的CZTS能隙为1.45 eV。通过上述分析证明制备的CZTS薄膜具有高品质,可用于制备CZTS薄膜太阳能电池。     

光催化半导体Ag$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;ZnSnS$lt;sub$gt;4$lt;/sub$gt;的第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算, 对光催化水解半导体Ag₂ZnSnS₄的改性方案做了理论研究. 在与同类化合物的带边位置比较后发现, Cu与Ge共掺杂能够在Ag₂ZnSnS₄中实现禁带宽度和带边位置的双重调节, 从而使其能带结构优化到光催化水解最为理想的状态. 另外, CuGaSe₂ 可与Ag₂ZnSnS₄形成type-Ⅱ型带阶结构, 制备它们的异质结同样可用于提升其光催化水解性能. 关键词： 光催化半导体 2ZnSnS₄')" href="#">Ag₂ZnSnS₄ 带阶 电子结构优化     

First-principles study of elastic and thermo-physical properties of kesterite-type Cu2ZnSnS4

The lattice constants and elastic constants of the kesterite-type Cu₂ZnSnS₄ have been calculated using density-functional theory (DFT). The calculated lattice constants are in good agreement with the experimental data. The calculated elastic constants indicate that the bonding strength along the [1 0 0] and [0 1 0] directions is as strong as the one along the [0 0 1] direction. The high B/G ratio shows that the kesterite-type Cu₂ZnSnS₄ compound has ductile behavior. Finally, using the Debye model, the volume, bulk modulus and heat capacity as a function of temperature for the kesterite-type CZTS have been estimated at different pressures. The Debye temperature and Gruneisen parameter are 157 K and 2.28 at 300 K temperature, respectively. The present results can give some information for the design of the kesterite-type CZTS compounds, and these can also be used to stimulate future experimental and theoretical work.     

Electronic structure and optical properties of wurtzite-kesterite Cu2ZnSnS4

As promising light-absorber material for solar cells, Cu₂ZnSnS₄ was found to have another crystal structure (wurtzite-kesterite) in addition to the conventional zinc blende-kesterite structure. Structural flexibility of Cu₂ZnSnS₄ opens up an avenue to develop light-absorber material with novel exciting properties and applications. However, its electronic and optical properties have not been comprehensively studied yet. For this purpose, the method of density functional theory within hybrid functional of PBE0 was adopted to study the structural, electronic, and optical properties of wurtzite-kesterite Cu₂ZnSnS₄ in this Letter. The calculated results suggested that the energy of its band gap is about 1.372 eV and it has obvious optical anisotropy. Furthermore, its crystal structure leads local internal fields that are especially beneficial to suppress the recombination of photoexcited electron–hole pairs.     

Electronic and optical properties of kesterite Cu2ZnSnS4 under in-plane biaxial strains: First-principles calculations

The electronic structures and optical properties of Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) under in-plane biaxial strain were systematically investigated using first-principles calculations based on generalized gradient approximation and hybrid functional method, respectively. It is found that the fundamental bandgap at the Γ point decreases linearly with increasing tensile biaxial strain perpendicular to c-axis. However, a bandgap maximum occurs as the compressive biaxial strain is 1.5%. Further increase of compressive strain decreases the bandgap. In addition, the optical properties of CZTS under biaxial strain are also calculated, and the variation trend of optical bandgap with biaxial strain is consistent with the fundamental bandgap.     

四元硫化物Cu2Zn(Ti,Zr, Hf)S4:一类新颖光伏材料

采用第一性原理电子结构方法研究了四价过渡金属Ti, Zr和Hf替代Cu₂ZnSnS₄(CZTS)中Sn原子以及Se替代S原子所得到的四元硫族化合物的电子结构、光学性质和晶体结构的稳定性. 实验上用Se替代CZTS中部分S得到的Cu₂ZnSnS_4-xSe_x(CZTSSe)作为光吸收材料, 可以进一步提高光伏效率. 我们计算表明用Se替代S后, CZTSe的价带顶明显下移, 并接近Cu(In, Ga) Se₂ (CIGS)价带顶位置. 与CZTSe的电子结构特征一样, Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄四元硫化物的价带顶与母体材料CZTS相比也向低能移动, 并接近CIGS价带顶位置. 由于高光伏效率要求窗口材料ZnO、缓冲层材料和光吸收材料的价带顶和带隙满足一定的渐进的变化关系, 因此可以预见用Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄作光吸收材料可以有效地提高甚至接近CIGS的光伏效率. 通过计算弹性常数和声子谱, 以及有限温度下第一性原理分子动力学模拟, 发现Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄的结构稳定性与CZTS相近. 进一步计算Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄与不同缓冲层间和窗口材料与缓冲层间的反射系数, 并讨论了ZnSe, In₂S₃, ZnS作为缓冲层材料和TiO₂作为窗口材料对光伏效率可能的影响.     

Raman scattering and disorder effect in Cu2ZnSnS4

The Raman spectra of surface regions of bulk Cu₂ZnSnS₄ (CZTS) samples with different Cu and Zn cation content were obtained and the differences in the spectra are attributed to statistical disorder effects in the cation sublattice. This disorder in the Cu and Zn sublattices may initiate a change of the crystal symmetry from kesterite‐type $({I\bar 4})$ to $({I\bar 42m})$ space group. The investigated CZTS crystals grown at high temperature are characterised by the co‐existence of regions with different composition ratio of Cu/(Zn + Sn) which results in kesterite and disordered kesterite phases. The presence of a disordered phase with ${I\bar 42m}$ symmetry is reflected in the appearance of a dominant broadened A‐symmetry peak at lower frequency than the peak of the main A‐symmetry kesterite mode at 337 cm^–1. We suppose that due to a small energy barrier between these phases the transition from one phase to the other can be stimulated by optical excitation of Cu₂ZnSnS₄. The analysis of the Raman spectra measured under different excitation conditions has allowed obtaining first (to our knowledge) experimental evidence of the existence of such optically induced structural transition in CZTS. (© 2013 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)