薄膜太阳能电池中半导体电极热电性质的第一性原理研究

【摘要】：In_2O_3是典型的透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxides, TCOs）之一，由于同时具有高的电导和可见光透过率被大量使用在薄膜太阳能电池的透明电极用作窗口层；为了降低薄膜太阳能电池背接触金属电极的电势，通常采用半导体化合物p-ZnTe作为过渡电极，R(Sn,Pb)xZn(1-x)Te合金体系中的Pb0.25Zn0.75Te三元合金材料具有与太阳可见光光谱相匹配带隙（1.38eV）且易进行n型掺杂，与p-ZnTe组合形成异质结，理论上可作为一种新的太阳能电池的背接触电极使用—本文研究材料的选取就是基于这两种应用于薄膜太阳能电池的窗口层和背接触层的两种半导体电极。 关于In_2O_3的带隙问题一直存在争议。我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了In_2O_3体材料的能带结构和光学性质，证明它是直接带隙氧化物，并且得到它的基本带隙与光学带隙，阐述了它们之间差异形成的原因：由于量子跃迁的Laporte选率决定它的Γ点的由VBM到CBM的电子跃迁是禁阻的，而符合跃迁条件的能量在低于VBM约0.7eV开始。 透明氧化物材料的载流子迁移率比较高，所以In_2O_3是具有高ZT因子的性质较优的热电材料之一。我们利用第一性原理方法及半经典的波尔兹曼理论方法计算研究了纯In_2O_3在300K室温下的热电性质及在不同的确定载流子浓度下各热电系数随温度的变化情况。我们发现在常温下p型导电机制下的较高的浓度区域内会有相对较好的热电效率，而在n型导电机制下较低浓度范围内的ZT会比较大。而温度的提高对功率因子和电子热导都同时具有加强作用。 基于太阳能电池背接触电极的应用，通过第一性原理和半经验的波尔兹曼输运理论我们计算了R(Sn,Pb)ZnTe三元合金体系的表征热电性质的品质ZT因子。总的来说，除了在较低浓度范围内的n型导电机制下外，各体系的ZT因子要比纯的ZnTe的值小。在大部分浓度范围内p型导电机制下的ZT要大于n型。在p型导电情况下，同一载流子浓度下，基本上各R(Sn,Pb)ZnTe体系的ZT随着R含量的增加减小，而在n型导电情形下，基本上含R-25%和含R-50%的体系的ZT维持在较小的值内缓慢变化，而纯的ZnTe和含R-6.25%体系则由在小浓度范围内的较小值陡然上升，在较高浓度范围内形成极大值。 【关键词】：氧化铟 三元合金 第一性原理研究 光学带隙 热电性质
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.42;O469
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 材料的基本结构和基本特性11-14
• 1.1.1 In2O3的基本结构和特性介绍11-12
• 1.1.2 R(Sn,Pb)ZnTe 三元合金基本结构和特性介绍12-14
• 1.2 选题目的和意义14-17
• 1.2.1 In_2O_3带隙问题及热电性质的研究14-16
• 1.2.2 R(Sn,Pb)_xZn_((1-x))Te 三元合金体系热电性质研究16-17
• 第2章 基本理论及计算方法17-30
• 2.1 第一性原理计算方法17-20
• 2.1.1 第一性原理方法概述17
• 2.1.2 三种基本近似17-19
• 2.1.3 VASP 计算软件包简介19-20
• 2.2 密度泛函理论20-25
• 2.2.1 密度泛函理论简介20
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn 定理20-21
• 2.2.3 Kohn-Sham 方程21-22
• 2.2.4 交换关联能泛函的求解22-25
• 2.3 赝势平面波方法25-27
• 2.3.1 模守恒膺势26
• 2.3.2 超软赝势26
• 2.3.3 自洽场计算26-27
• 2.4 波尔兹曼理论27-30
• 第3章 In_2O_3光学帯隙的探究30-38
• 3.1 引言30
• 3.2 计算方法30-31
• 3.3 计算结果及讨论31-36
• 3.3.1 晶体结构31
• 3.3.2 电子结构31-32
• 3.3.3 光学性质分析32-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第4章 立方相 In_2O_3热电性质的第一性原理研究38-45
• 4.1 引言38
• 4.2 计算方法38-39
• 4.3 计算结果及讨论39-44
• 4.3.1 能带结构39-40
• 4.3.2 室温下热电系数研究40-43
• 4.3.3 热电系数随温度变化43-44
• 4.4 本章小结44-45
• 第5章 R(Sn,Pb)ZnTe 三元合金热电性质的研究45-56
• 5.1 引言45-46
• 5.2 计算方法46-47
• 5.3 计算结果及讨论47-54
• 5.3.1 电子结构分析47-48
• 5.3.2 seebeck 系数48-52
• 5.3.3 电子热导52
• 5.3.4 ZT 因子52-54
• 5.4 本章小结54-56
• 总结和展望56-58
• 参考文献58-66
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录66-67
• 附录 B 攻读学位期间参与的基金项目目录67-68
• 致谢68

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