CIS薄膜太陽能電池WZ-CdS-WZ-CuInS2-MoS2界面性質的第一性原理研究.pdf

1、纖鋅礦結構的CuInS2（WZ-CIS）以其獨特的光學特性，以及在實驗制備中表現出靈活的化學計量學等特點，目前被認為是一種非常有前景的光電材料應用在太陽能電池的吸光層。典型的薄膜太陽能電池結構是：前電極ZnO窗口層CdS緩沖層CIS吸光層Mo背電極玻璃。研究發(fā)現，在CIS吸收層沉積過程中部分S原子會向Mo背電極層發(fā)生一定的擴散，結合Mo背電極層部分Mo原子，在CIS層與Mo層之間會形成一個均勻的MoS2中間層。MoS2層的形成有助于在C

2、IS-Mo界面處形成一個簡易的準歐姆接觸，從而促進Mo與CIS之間的電傳導性，這有利于改善太陽能電池裝置的性能及轉化效率。本文以密度泛函理論的第一性原理計算方法為基礎，從原子層次上分別探討了WZ-CuInS2吸光層與MoS2中間層、WZ-CdS緩沖層之間的界面，研究了包括：界面局域晶格結構、界面結合方式、界面結合能、電荷轉移情況等。研究發(fā)現，WZ-CuInS2的(100)晶面與MoS2的(-100)晶面、CdS的(100)晶面可以進行良

3、好的晶格匹配，其晶格失配度分別為3.5％、5.6%。對WZ-CIS(-100)/MoS2(100)界面進行晶格優(yōu)化后，界面處的原子位置和鍵長均有較小的變動，計算得到界面的結合能約為?0.65 J/m2。我們通過對WZ-CIS/MoS2界面電子態(tài)密度、查分電荷和拜德電荷的理論分析研究，發(fā)現在界面結合處電子發(fā)生了很大程度的再分配；在費米能級附近出現了一些界面態(tài)，這些界面態(tài)的引起主要是由WZ-CIS區(qū)域中In-5s軌道以及MoS2區(qū)域S-3p

4、軌道帶來的；界面上不同原子之間的發(fā)生了軌道雜化作用，很大程度上提高了界面原子間的成鍵能力；界面上原子間電子的轉移和軌道雜化作用促進了原子間的鍵合作用，也增加了界面之間的結合能力。對WZ-CIS(100)/WZ-CdS(100)界面的研究，我們討論了兩種結合方式的界面（以雙原子層終結的和以單原子層終結的WZ-CIS(100)/WZ-CdS(100)界面）。研究發(fā)現，弛豫后兩種界面晶格都發(fā)生了微小的變化。通過對WZ-CIS/WZ-CdS界面

5、結合能的計算：以雙原子層終結的界面結合能為?0.481 J/m2，以單原子層終結的界面結合能為?0.677 J/m2，可以說明WZ-CIS/WZ-CdS界面具有很好的穩(wěn)定性。通過對WZ-CIS/WZ-CdS界面電子態(tài)密度、查分電荷以及拜德電荷的對比分析，發(fā)現兩種界面在費米能級附近都沒有界面態(tài)出現，同時發(fā)現以單原子層終結的界面具有比以雙原子層終結的界面更強的結合能力，這主要歸因于界面上原子間發(fā)生了更多的電子轉移和軌道雜化作用從而促進形成了