閃鋅礦(GaSb)m(ZnTe)n超晶格光學性質的研究.pdf

1、本文通過第一性原理基本方法，研究計算GaSb/ZnTe超晶格材料的基本電子和光學性質。基于密度泛函基本理論，采用HSE06函數(shù)，運用Hartree-Fock基本方法。通過對閃鋅礦材料晶體結構的研究，以及對超晶格材料基本理論方法的應用，尋找性質優(yōu)異的超晶格材料。在計算過程中我們統(tǒng)一采用PBE贗勢。對新建的所有結構都進行了結構優(yōu)化，讓這些結構收斂到穩(wěn)定的位置，以減小晶格形變帶來的計算誤差。同時嚴格的控制了計算精度，實現(xiàn)更準確的理論預測。然后

2、，通過對這一類超晶格的性質計算和數(shù)據(jù)研究分析，尋找性質優(yōu)異的材料運用于太陽能電池和LED發(fā)光。
　　首先，研究閃鋅礦材料的基本性質。我們發(fā)現(xiàn)閃鋅礦材料GaSb和ZnTe，它們在光學方面具有一定的優(yōu)勢，同時也受到一定的限制。我們希望運用超晶格的基本方式，來實現(xiàn)對這兩種材料光學性質的改進。閃鋅礦GaSb和ZnTe的晶格系數(shù)比較接近，晶格匹配性很好。所以，用來構建超晶格是相對可行的。重構的GaSb/ZnTe超晶格結構，由于計算資源的限制

3、。我們嚴格的控制了晶體結構的原子數(shù)目，并且只選取了[001]、[110]和[111]三個特殊的晶格生長方向。當原子數(shù)目和生長方向確定后，采用排列組合的基本方法構建超晶格結構，利用晶體對稱性消去重復的晶體結構。
　　然后，對這類材料進行基本的理論計算。計算發(fā)現(xiàn)，對于ZnTe和GaSb的躍遷矩陣元，它們的躍遷矩陣元主要集中在Γ點附近，遠離Γ點的數(shù)值較小。由于躍遷矩陣元正比于躍遷概率，所以遠離Γ的躍遷的概率也就相對較小。對GaSb/Zn

4、Te超晶格的躍遷矩陣元的分析發(fā)現(xiàn)。在不同的晶格生長方向上，這類晶格的躍遷矩陣元存在很大的差異，在[110]和[111]晶格生長方向上較為優(yōu)異。對GaSb/ZnTe超晶格的帶隙分析發(fā)現(xiàn)。在[001]、[110]和[111]三個晶格生長方向，這些超晶格的帶隙較好的覆蓋了一定區(qū)域類的可能帶隙數(shù)值。通過重復 Shocldey-Queisser的基本理論。分析發(fā)現(xiàn)當材料的帶隙間于1.0-1.5ev時，對光吸收的效率才能達到較高的位置。對于[110

5、]和[111]晶格生長方向的晶體材料，它們的帶隙大多數(shù)處于這個范圍內(nèi)，所以對光吸收轉換效率具有一定的優(yōu)勢?？紤]上述基本性質之后，對于材料的應用還得考慮結構的穩(wěn)定性。在本文，我們還計算這類材料的合成能。相對而言，越穩(wěn)定的結構合成能也就越低。計算發(fā)現(xiàn)，合成能較低的結構主要存在于[110]晶格生長方向，也就是說這個方向的晶體結構比其它方向要穩(wěn)定。
　　再則，通過上述條件篩選出了一些性質優(yōu)異的超晶格結構。為了驗證方法的可行性和計算的科學性

6、，同時更好的分析了解超晶格在光吸收系數(shù)方面的基本性質。我們計算了GaSb/ZnTe超晶格和常見太陽能電池材料的吸收系數(shù)。通過參照AM1.5標準譜線，對比分析超晶格與常見太陽能電池的吸收特性。驗證了我們篩選新結構的方法，是科學可行的。分析發(fā)現(xiàn) GaSb/ZnTe超晶格的吸收系數(shù)，主要集中在1.0-1.5ev之間，在這個范圍內(nèi)能夠獲得相對較多的太陽能。對于太陽能電池轉換效率來講，這些超晶格可以獲得更理想的截斷電源和開路電流，達到對太陽能轉換

7、效率的提升。
　　最后，為了獲得更確切的理論支撐。我們計算了一部分超晶格結構對可見光吸收的極限效率（Spectroscopic Limited Maximum Efficiency）。通過對計算結果的分析，我們現(xiàn)這類材料的吸收效率很理想。最大吸收效率可以達到31.38737％。充分說明了這類材料在太陽能電池的應用方面具有較大的發(fā)展?jié)摿?。由于這類材料的巨大發(fā)展?jié)撡|，以及理想的光學帶隙。我們還發(fā)現(xiàn)這類材料在LED發(fā)光方面具有一定的發(fā)展