【摘 要】
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I-III-V族合金是重要的薄膜太阳能电池材料。除了黄铜矿CuGaS2作为有希望的中间带太阳能电池光收集材料之外,Cu和Ga的化学计量比非1:1的其他结构也具有极大的潜力,并且Cu-Ga-S系统中的原子空位通常会存在于非黄铜矿结构的其他化学计量比的结构中,并且有望对结构稳定性和电子结构产生决定性影响。运用从头算进化变量组合搜索和蒙特卡洛模拟以及特殊的准随机结构方法,可以通过完全识别稳定结构和化学计
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I-III-V族合金是重要的薄膜太阳能电池材料。除了黄铜矿CuGaS2作为有希望的中间带太阳能电池光收集材料之外,Cu和Ga的化学计量比非1:1的其他结构也具有极大的潜力,并且Cu-Ga-S系统中的原子空位通常会存在于非黄铜矿结构的其他化学计量比的结构中,并且有望对结构稳定性和电子结构产生决定性影响。运用从头算进化变量组合搜索和蒙特卡洛模拟以及特殊的准随机结构方法,可以通过完全识别稳定结构和化学计量比来研究原子空位的有序性,在全面的确定了在不同压力下非1:1化学计量比的结构的前提下,还展示了有序度对黄铜矿结构电子能带结构的影响。当前工作有以下创新性的结果:(1)通过对存在空位的同组份结构的能量进行对比,发现拥有直线形排列的结构往往比拥有之字形排列的结构能量更低。对不同组分的结构进行比对研究,发现了原子空位局部形成直线的有序排列能通过降低形成能而使得其结构更加稳定。(2)结构搜索发现新的范德华层状P21/c-Cu2S相,比新发现的基态P42-Cu2S具有更好的光学性质。对P21/c-Cu2S相的稳定性进行判断并计算得到其带隙值为1.09 e V,合适的带隙和直接带隙特点使其成为太阳能电池的有潜力的候选材料。(3)通过计算不同组份的结构在不同压力下的带隙变化情况,采用S和Cu原子之间p–d耦合解释了压力引起结构的带隙异常变化。(4)对黄铜矿结构的蒙特卡洛模拟以及特殊的准随机结构的结果进一步表明,通过控制由合成条件(退火时间)决定的有序参数,可以将CuGaS2的带隙从黄铜矿相的2.51 e V连续调谐到完全无序构型的0.13 e V。该论文有图16幅,表6个,参考文献94篇。
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