Edition description
Theoretical study of I-III-VI2 group chalcopyrite crystals for photovoltaic application
-
Description:
Abstract:
- Półprzewodnikowe materiały chalkogenkowe są szeroko stosowane w różnych urządzeniach elektronicznych i mają właściwości, które czynią je atrakcyjnymi do stosowania w różnych dziedzinach. W szczególności ważnym zastosowaniem materiałów chalkogenkowych jest ich wykorzystanie w fotowoltaice do przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną. Obiecującymi materiałemi dla energetyki słonecznej są półprzewodniki chalkogenkowe o strukturze chalkopirytowej o wzorze I-III-VI2. Materiały te mają wiele zalet w porównaniu z innymi i przyciągnęły uwagę naukowców ze względu na optymalną przerwę energetyczną i wysoki współczynnik absorpcji, co czyni je obiecującymi jako cienkowarstwowe materiały pochłaniające w wysokowydajnych heterozłączowych ogniwach słonecznych. Jednym z przedstawicieli takich materiałów jest selenek miedziowo-indowo-galowy CuIn1–xGaxSe2 (CIGS). Wykazuje on efektywność konwersji energii słonecznej do 23.4%, a w ogniwach słonecznych tandemowych perowskit/CIGS – 24.2%. Dlatego badanie materiałów półprzewodnikowych jest ważnym i aktualnym zadaniem. Pomimo dużej liczby skomplikowanych i kosztownych badań eksperymentalnych, modelowanie teoretyczne w ramach różnych podejść zajmuje ważne miejsce w badaniach i poszukiwaniu nowych materiałów funkcjonalnych. W związku z tym proces tworzenia nowych materiałów i optymalizacji ich właściwości dla różnych zastosowań może być kosztowny i nieefektywny bez predykcyjnych wskazówek teoretycznych. Dlatego preferowanym początkowym etapem projektowania nowych materiałów jest modelowanie komputerowe i symulacje ich właściwości fizycznych. Celem niniejszej pracy było zbadanie właściwości strukturalnych, elektronowych, optycznych, sprężystych i wibracyjnych kryształów I-III-VI2 (I = Cu, Ag, III = Al, Ga, In, VI = S, Se i Te) metodami teoretycznymi. Do tej pory nie przeprowadzono kompleksowego teoretycznego badania właściwości kryształów badanej grupy. Istnieje kilka badań materiałów z tej grupy, których analizę komplikuje stosowanie różnych metod i przybliżeń, które dają różne ograniczenia i w konsekwencji różne odchylenia od eksperymentu. W prezentowanej pracy przeprowadzono szereg badań teoretycznych właściwości fizycznych kryształów rodziny I-III-VI2 (I = Cu, Ag, III = Al, Ga, In, VI = S, Se, Te) w ramach podejścia zunifikowanego. Zbadano strukturę pasmowo-energetyczną osiemnastu kryształów wskazanej grupy i wyjaśniono pochodzenie ich pasm energetycznych wykorzystując teorię funkcjonału gęstości wraz z funkcjonałami wymienno-korelacyjnymi LDA i GGA. Wyjaśniono wpływ zmian składu kationowo-anionowego na strukturę tych poziomów elektronowych w kryształach. Oceniane są ilościowe i jakościowe charakterystyki struktur pasmowych tych kryształów. Pokazano wady stosowania standardowej metody obliczania poziomów energetycznych odpowiadających d-elektronom dla kryształów z jonami In i Ga. Proponuje się wykorzystanie obliczeń z poprawkami Hubbarda (DFT+U), aby uwzględnić wady standardowych metod obliczeniowych. ; Obliczono widma optyczne kryształów z grupy I-III-VI2, w tym funkcje dielektryczne, widma absorpcyjne, współczynniki załamania itp. Pokazano możliwość wykorzystania tych materiałów jako warstwy absorbującej w ogniwach słonecznych. W ramach modelu DES obliczono liniową elektrooptykę, współczynniki elektrowirowania i nieliniową podatność drugiego rzędu kryształów AgGaS2. Wykorzystując dyspersję elektronowych objętości polaryzowalności obliczonych ze wzoru Lorentza–Lorenza otrzymano wartość nieliniowej podatności dla λ = 1064 nm. Obliczono właściwości sprężyste dla osiemnastu kryształów z badanej grupy, w tym zachowanie współczynników sprężystości Cij, modułu sprężystości B, modułu Younga E, modułu ścinania G oraz współczynnika Poissona v. Pokazano tendencję do zmian właściwości i ich anizotropii przy izomorficznych podstawieniach składu kationowo-anionowego. Skonstruowano trójwymiarowe powierzchnie rozkładu modułu sprężystości i ich rzuty planarne, co pozwoliło na wizualne ukazanie zmiany anizotropii przy zmianie składu materiału. Przeprowadzono analizę korelacyjną zależności struktura-właściwości i właściwości-właściwości dla wybranych wielkości. Znaleziono szereg korelacji, które wykazują funkcjonalną zależność pomiędzy parametrami fizycznymi dla badanej grupy kryształów. Wyjaśniono osobliwości widma fononowego w ramach przybliżenia harmonicznego w kryształach AgGaX2 (gdzie X = S, Se, Te). Przeprowadzono symetryczną klasyfikacje modów oscylacyjnych i pokazano zgodność wyników teoretycznych z eksperymentalnymi, co weryfikuje zastosowaną technikę. Pokazano strukturę i transformację widma fononowego przy izomorficznym podstawieniu anionu S → Se → Te. Zbadano możliwość kontrolowania właściwości optycznych, elektronowych i sprężystych kryształów poprzez tworzenie stałych roztworów podstawieniowych na przykładzie układu CuGa(S1–xSex)2 dla x = 0, 0.25, 0.5, 0.75 i 1. Podsumowując, możemy stwierdzić, że przeprowadzone są kompleksowe teoretyczne badania kryształów grupy I-III-VI2, a mianowicie struktury elektronowej, właściwości optycznych, sprężystych i wibracyjnych w ramach teorii funkcjonału gęstości. Pokazano możliwości zastosowania i modyfikacji właściwości materiałów w celu efektywnego wykorzystania jako materiałów do energii słonecznej.
- Semiconducting chalcogenide materials are widely used in various electronics devices and have characteristics that make them attractive for practical use in various fields. In particular, an important application of chalcogenide materials is their use in photovoltaics to convert solar energy into electricity. Promising materials for solar energy are chalcogenide semiconductors with chalcopyrite structure having the formula I-III-VI2. These materials reveal a number of advantages over others and have attracted the attention of researchers. The optimal band gap and high absorption coefficient make chalcogenides promising as thin-film absorbing materials in high-performance heterojunction solar cells. One of the representatives of such materials is copper indium gallium selenide CuIn1–xGaxSe2 (CIGS). It demonstrates the efficiency of solar energy conversion up to 23.4% and in the perovskite/CIGS tandem solar cells – 24.2%. Therefore, the study of semiconductor materials is an important and relevant task. Despite the large number of complex and expensive experimental research, theoretical modeling within different approaches takes an important place in the study and search for new functional materials. Therefore, the process of new materials creation and their properties optimization for the different applications can be expensive and not efficient without predictive theoretical guidance. Thus, the preferable initial stage of new materials design is the computer modeling and simulations of their physical properties. The aim of the present work was to investigate the structural, electronic, optical, elastic and vibrational properties of the I-III-VI2 (I = Cu, Ag, III = Al, Ga, In, VI = S, Se, and Te) crystals using theoretical methods. To date, a comprehensive theoretical study of the properties of crystals of the studied group has not been performed. There are some studies of materials of this group, the analysis of which is complicated by the use of different methods and approximations that give different limitations and, as a consequence, different deviations from the experiment. In the presented work a series of theoretical studies of the physical properties of the I-III-VI2 (I = Cu, Ag, III = Al, Ga, In, VI = S, Se, Te) crystal family were carried out within the unified approach. The band-energy structures of eighteen crystals of the titled group were studied and the origin of their energy bands was clarified using the density functional theory together with the LDA and GGA exchange-correlation functionals. The effect of changes in the cationic-anionic composition on the structure of these electronic levels in crystals has been elucidated. Quantitative and qualitative characteristics of the band structures of these crystals are evaluated. The disadvantages of applying the standard calculation method for energy levels corresponding to d-electrons for crystals with In and Ga ions are shown. For such crystals it is proposed to use calculations with Hubbard corrections (DFT + U) to take into account the drawbacks of standard calculation methods. ; The optical spectra of crystals of I-III-VI2 group, including dielectric functions, absorption spectra, refractive indices, etc., were calculated. The possibility of using these materials as absorbing layers in solar cells is shown. The linear electro-optics, electrogyration coefficients and second-order nonlinear susceptibility of AgGaS2 crystals are calculated in the frame of the DES model. Using dispersion of the electronic polarizability volumes calculated using the Lorentz–Lorenz formula, the value of nonlinear susceptibility for λ = 1064 nm is obtained. Elastic properties, which includes obtaining elastic coefficients Cij, bulk modulus B, Young’s modulus E, shear modulus G and Poisson's ratio v were calculated for eighteen crystals of the studied group. The tendency of changes of properties and their anisotropy at isomorphic substitutions of cationic-anionic composition is shown. 3D distribution surfaces of elastic modulus and their planar projections were constructed. These allowed to show visually the change of anisotropy when the composition of the material changes. The correlation analysis of structure-properties and properties-properties relations for selected quantities is carried out. A number of correlations were found that show the functional dependences between the physical parameters for the studied group of crystals. The peculiarities of the phonon spectrum in AgGaX2 crystals (where X = S, Se, Te) are clarified within the framework of harmonic approximation. A symmetric classification of vibrational modes is performed and the consistency of theoretical results to experimental ones is shown, which verifies the technique used. The structure and transformation of the phonon spectrum at isomorphic substitution of the S → Se → Te anions are shown. The possibility of controlling the optical, electronic and elastic properties of crystals by forming substitutional solid solutions on the example of the CuGa(S1–xSex)2 system for x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1 has been investigated. In conclusion, a comprehensive theoretical study of electronic structure, optical, elastic and vibrational properties of crystals of the I-III-VI2 group have been performed within the theory of density functional. The possibility of applying and modifying the properties of materials for efficient use as materials for solar energy is shown.
