CdTe多晶薄膜中的位错和晶界及其对光电性能的影响研究

CdTe is considered a near perfect material for low-cost high-efficiency thin-film solar cell applications. Dislocations and grain boundaries are the main factors that limit the efficiency of CdTe cells, but their electrical activity have not been previously determined. Some experimental results are hard to be understood by following the classical theories that are found in traditional semiconductors. In this project, using first-principles method, we plan to investigate the local structures of the dislocations and grain boundaries and their effect on the electronic properties of CdTe polycrystalline thin-film, especially, we will focus on the defects that segregate to grain boundaries and dislocations. Try to find out the common structural unit in different dislocations and grain boundaries, and examine their effects on the electronic properties, then give out more reasonable explanations to experimental results. It will have high academic value to consummate the theory of defect in polycrystalline thin films. Similar conclusions might apply to other similar semiconductors

CdTe多晶薄膜是一种具有极好应用前景的高效率廉价的薄膜太阳能电池材料。材料中的位错和晶界被认为是影响其效率提高的关键性因素，但它们的电学活性至今还没有达到共识，实验上也存在一些与传统材料当中相悖且不能解释的现象。本项目计划通过第一性原理计算系统研究CdTe多晶薄膜中的位错和晶界的主要的微观结构，以及其对光电性能的影响，特别关注杂质在晶界和位错处的集聚效应。提炼出各种位错和晶界所共有的最小微观结构重复单元，研究其在材料光电性能中所扮演的角色，对实验上发现的目前还无法解释的位错和晶界所导致的光电性能的变化给出合理的解释。通过对CdTe多晶薄膜的研究，抽象出一些具有一定普适性的多晶薄膜中缺陷对性能影响的结论，为其它类似材料提供参考借鉴。

通过第一性原理计算系统研究了CdTe多晶薄膜中的各种位错和晶界的原子结构和电子属性、位错和晶界对材料光电性能的影响，以及利用掺杂等手段改善位错和晶界的电学性质来提高基于CdTe多晶薄膜太阳能电池的光伏性能。计算表明，位错的中心存在悬挂键，但是由于位错之间存在能带弯曲，导致了电子和空穴的分离，使得这些位错中心并不是电荷的复合中心，这是极其反常的现象。接下来研究了30° Shockley 分位错对的湮灭过程。结果发现该位错对的滑移势垒很小，证实了这种湮灭现象可以很容易发生。还发现位错对之间的电荷转移所引起的能带弯曲强烈依赖于错位对之间的间距，当间距大于2.5纳米左右，弯曲的程度将不再变化。通过对杂质原子O、Cu 和Cl 分凝能的计算得到30° Shockley 分位错对对杂质的分凝现象不明显。另外，对晶界的杂质分凝现象做了系统的研究，我们发现CdTe本征晶界会在能带当中产生很深的缺陷能级，成为所谓的非辐射复合中心，然而分凝到晶界处的S、Cu 和Cl能很好的移除这些深能级，从而改善材料的光伏特性。还发现Cl会在晶界处聚集， 导致晶界成为n型，与晶界内部形成一个本地局域的pn节，因而促进电子空穴对的分离。这种机理可以广泛用于解释掺Cl的CdTe太阳能电池高效率的原因。另外，相关的结果成功推广到了具有类似结构的ZnO材料当中，通过引入低能量的缺陷对ZnO的表界面进行裁剪而改善其光电性能。