新型六角硅晶体结构的第一性原理预测及光电性能研究

发布时间：2020-09-17 20:44

　　硅元素(Si)在地壳中含量巨大,具有无毒、环境友好、稳定性高等优点。硅晶体材料是半导体工业的基石,也是太阳能光伏产业的材料先驱。目前用作太阳能电池吸收层材料的主要成分是金刚石结构的硅晶体,其间接带隙特征影响了对太阳光的吸收效率。为了提升硅基太阳能电池的光电转换效率,从理论和实验上去预测和设计具有直接带隙类型的新型硅晶体材料是一个非常热门的研究方向。根据硅元素的化学成键特征,我们在本论文中选择课题组开发的结构搜索软件RG~2对潜在的硅晶体结构进行预测,发现了4个新型的六角硅晶体结构,并利用第一性原理对它们的结构特征、稳定性、电子结构和光学性质进行了计算。(1)通过RG~2搜索得到2个全新的六角硅晶体结构Hex-193和Hex-194并利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Hex-193和Hex-194的结构特征、稳定性(包括热力学稳定性、动力学稳定性、弹性力学稳定性)、电子性质、力学性质和光学性质。我们的计算结果表明,Hex-193与Hex-194具有良好的热力学稳定性,在动力学和弹性力学上也都是稳定的。能带结构计算结果表明,Hex-193和Hex-194都是准直接带隙的半导体,它们的带隙值适合用于对太阳光进行吸收。进一步的光学性质研究表明,Hex-193和Hex-194确实具有比其它硅晶体结构更好的光学吸收能力,可看作是潜在的太阳能电池光吸收层材料。(2)利用RG~2在六角晶系(Nos.152和154)中搜索四配位结构时发现两个互为左右关系的晶体结构Hr152与Hl154(两者手结构),并将它们推广作为碳、硅、锗、锡晶体进行系统研究。我们的第一性原理计算结果表明,Hr152和Hl154在的碳、硅、锗、锡中具有相同的能量稳定性、电子结构和力学性质。作为碳、硅、锗晶体时它们都是间接带隙半导体,带隙分别为4.88 eV,1.54 eV,1.08 eV和0.68 eV。值得注意的是,Hr152与Hl154结构的硅晶体具有比传统的金刚石硅晶体和大多数理论提出的硅晶体更好的光吸收能力,是良好的太阳能电池吸收层材料。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304;TB34
【部分图文】：

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人类对太阳能的认识与研究的脚步从未停止。在 1839 年，法国的一名物 Becqurel 观察到一个奇妙的现象，当阳光照射在伏打电池上时，电池会外的电动势。在这个过程中，太阳能转化成了电能，引起了科学家们的极。后来人们将这种光能转化为电能的现象称为光伏效应，并把能够实现这的器件统称为太阳能电池。太阳能电池按其所用到的材料主要可以分为三大类[4]：硅基太阳能电池太阳能电池与新概念太阳能电池。下面对三类电池做一个简单的介绍。

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硅基太阳能电池所采用的硅晶体材料具有无毒、稳定等特境造成污染，材料储存资源也十分丰富，有利于大规模生产和应用工业革命，特别是以半导体工业为基础的电子信息时代的到来，极关硅晶体的提纯、加工与制造技术，这些为人类研究硅基太阳能电储备。综合上面所阐述的事实可以知道，硅基太阳能电池在光伏领要的地位，也将是人们未来利用太阳能的重要希望。

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空间群属于 227 号，其中只有一个非等价原子，具cd-Si 在高压环境下能够发生金属化的现象已经在很多人的工如 Ackland[11]、Mujica[12]、Katzke[13]等人就曾经对硅晶体的金导。通过对四面体的 cd-Si 施加 11 GPa 的高压，能得到银白色-Sn 型硅晶体结构（Si-Ⅱ）[14]。在这个过程中，cd-Si 中硅原子型转变成 β-Sn 型中的 6 配位构型。如果继续对 β-Sn 型的硅晶GPa的高压，β-Sn型的硅晶体就会进一步扭曲成正交晶系的Im续施压到达 15.4 GPa 时，Imma（Si-XI）又会进一步相变成 8 P6/mmm（Si-V）[15,17]。当压强达到 38 GPa，六角型的 P6/mm成正交型的 Cmca（Si-VI）[18]，并进一步加压到 42 GPa 后转密堆积结构 hP2（Si-VII）[17,18]。最终，当压强达到 42 GPa 时Si-VII）[19]会转变成面心立方构型的 cF4（Si-X）结构，并一到了 248 GPa 的高压下也不再发生相变。1963 年，Wentorf .3 金刚石硅晶体结构（左）和高压相 BC8 硅晶体结构（右）示意

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