發(fā)布時間：2020-09-17 20:44

　　 硅元素(Si)在地殼中含量巨大,具有無毒、環(huán)境友好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。硅晶體材料是半導(dǎo)體工業(yè)的基石,也是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的材料先驅(qū)。目前用作太陽能電池吸收層材料的主要成分是金剛石結(jié)構(gòu)的硅晶體,其間接帶隙特征影響了對太陽光的吸收效率。為了提升硅基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,從理論和實驗上去預(yù)測和設(shè)計具有直接帶隙類型的新型硅晶體材料是一個非常熱門的研究方向。根據(jù)硅元素的化學(xué)成鍵特征,我們在本論文中選擇課題組開發(fā)的結(jié)構(gòu)搜索軟件RG~2對潛在的硅晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測,發(fā)現(xiàn)了4個新型的六角硅晶體結(jié)構(gòu),并利用第一性原理對它們的結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計算。(1)通過RG~2搜索得到2個全新的六角硅晶體結(jié)構(gòu)Hex-193和Hex-194并利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法研究了Hex-193和Hex-194的結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)定性(包括熱力學(xué)穩(wěn)定性、動力學(xué)穩(wěn)定性、彈性力學(xué)穩(wěn)定性)、電子性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)。我們的計算結(jié)果表明,Hex-193與Hex-194具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,在動力學(xué)和彈性力學(xué)上也都是穩(wěn)定的。能帶結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明,Hex-193和Hex-194都是準(zhǔn)直接帶隙的半導(dǎo)體,它們的帶隙值適合用于對太陽光進(jìn)行吸收。進(jìn)一步的光學(xué)性質(zhì)研究表明,Hex-193和Hex-194確實具有比其它硅晶體結(jié)構(gòu)更好的光學(xué)吸收能力,可看作是潛在的太陽能電池光吸收層材料。(2)利用RG~2在六角晶系(Nos.152和154)中搜索四配位結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)兩個互為左右關(guān)系的晶體結(jié)構(gòu)Hr152與Hl154(兩者手結(jié)構(gòu)),并將它們推廣作為碳、硅、鍺、錫晶體進(jìn)行系統(tǒng)研究。我們的第一性原理計算結(jié)果表明,Hr152和Hl154在的碳、硅、鍺、錫中具有相同的能量穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。作為碳、硅、鍺晶體時它們都是間接帶隙半導(dǎo)體,帶隙分別為4.88 eV,1.54 eV,1.08 eV和0.68 eV。值得注意的是,Hr152與Hl154結(jié)構(gòu)的硅晶體具有比傳統(tǒng)的金剛石硅晶體和大多數(shù)理論提出的硅晶體更好的光吸收能力,是良好的太陽能電池吸收層材料。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN304;TB34
【部分圖文】：

人類對太陽能的認(rèn)識與研究的腳步從未停止。在 1839 年，法國的一名物 Becqurel 觀察到一個奇妙的現(xiàn)象，當(dāng)陽光照射在伏打電池上時，電池會外的電動勢。在這個過程中，太陽能轉(zhuǎn)化成了電能，引起了科學(xué)家們的極。后來人們將這種光能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)，并把能夠?qū)崿F(xiàn)這的器件統(tǒng)稱為太陽能電池。太陽能電池按其所用到的材料主要可以分為三大類[4]：硅基太陽能電池太陽能電池與新概念太陽能電池。下面對三類電池做一個簡單的介紹。

硅基太陽能電池所采用的硅晶體材料具有無毒、穩(wěn)定等特境造成污染，材料儲存資源也十分豐富，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用工業(yè)革命，特別是以半導(dǎo)體工業(yè)為基礎(chǔ)的電子信息時代的到來，極關(guān)硅晶體的提純、加工與制造技術(shù)，這些為人類研究硅基太陽能電儲備。綜合上面所闡述的事實可以知道，硅基太陽能電池在光伏領(lǐng)要的地位，也將是人們未來利用太陽能的重要希望。

空間群屬于 227 號，其中只有一個非等價原子，具cd-Si 在高壓環(huán)境下能夠發(fā)生金屬化的現(xiàn)象已經(jīng)在很多人的工如 Ackland[11]、Mujica[12]、Katzke[13]等人就曾經(jīng)對硅晶體的金導(dǎo)。通過對四面體的 cd-Si 施加 11 GPa 的高壓，能得到銀白色-Sn 型硅晶體結(jié)構(gòu)（Si-Ⅱ）[14]。在這個過程中，cd-Si 中硅原子型轉(zhuǎn)變成 β-Sn 型中的 6 配位構(gòu)型。如果繼續(xù)對 β-Sn 型的硅晶GPa的高壓，β-Sn型的硅晶體就會進(jìn)一步扭曲成正交晶系的Im續(xù)施壓到達(dá) 15.4 GPa 時，Imma（Si-XI）又會進(jìn)一步相變成 8 P6/mmm（Si-V）[15,17]。當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到 38 GPa，六角型的 P6/mm成正交型的 Cmca（Si-VI）[18]，并進(jìn)一步加壓到 42 GPa 后轉(zhuǎn)密堆積結(jié)構(gòu) hP2（Si-VII）[17,18]。最終，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到 42 GPa 時Si-VII）[19]會轉(zhuǎn)變成面心立方構(gòu)型的 cF4（Si-X）結(jié)構(gòu)，并一到了 248 GPa 的高壓下也不再發(fā)生相變。1963 年，Wentorf .3 金剛石硅晶體結(jié)構(gòu)（左）和高壓相 BC8 硅晶體結(jié)構(gòu)（右）示意

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本文編號：2821214