نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 الکترونیک/ دانشکده مهندسی برق/ دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

2 دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

3 دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی

چکیده

ماده چهارگانه CZTS به دلیل برخورداری از عناصر سازنده غیر سمی و همچنین فراوانی آنها بر روی زمین مورد توجه بسیاری از محققان در زمینه سلول های خورشیدی قرار گرفته است. در این مقاله، خواص نوری و الکتریکی ساختار خالص و آلایش شده با عناصر گروه پنجم جدول تناوبی با بهره مندی از نظریه تابع چگالی و به کمک تقریب GGA استخراج و بررسی گردید. مقایسه نمودار های چگالی حالات الکترون‌ها و ساختارنواری در حالت توده ای خالص و آلایش شده با نیتروژن و فسفر، کاهش گاف نواری مستقیم ساختار را نشان می دهد. همچنین مطالعه خواص نوری به دست آمده گویای آن است که ضریب جذب از مقدار cm-1 104×1/7 برای ساختار خالص به مقادیر 104×12 و cm-1104×8 به ترتیب به ازای جایگزینی نیتروژن و فسفر با اتم گوگرد، برای فوتون های کم انرژی افزایش یافته است. جانشینی اتم‌های آرسنیک، آنتیموان و بیسموت به‌جای اتم قلع با کمترین انرژی تشکیل به دلیل تبهگنی تراز ها سبب ایجاد تراز ناخالصی در گاف نواری می گردد. در نتیجه با افزایش تعداد حالات انتقال الکترون از نوار ظرفیت به هدایت، به ضریب جذب تا مقدار متوسط cm-1 104× 5/2 برای فوتون های کم انرژی در ساختار خالص افزوده می گردد. به طور‌کلی کاهش گاف نواری در برخی موارد و همچنین افزایش ضریب جذب برای فوتون های کم انرژی بعد از افزودن ناخالصی باعث بهبود کارایی ساخنار CZTS به عنوان لایه جاذب در سلول‌های خورشیدی می گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of Electrical and Optical Properties of CZTS with Doping of the Fifth Group Elements of the Periodic Table: A Density Functional Theory Study

نویسندگان [English]

  • Negin Manavizadeh 1
  • Milad Barati 2
  • Nima Nouri 3

2 K. N. Toosi University of Technology

3 K. N. Toosi University of Technology

چکیده [English]

Abstract CZTS-based solar cell have attracted a vast majority of attentions among the thin-film solar cells, because of fully-fledged advantages such as earth-abundant and non-toxic component elements. In this study, the electrical and optical properties of the pure and doped CZTS using 5th group elements were calculated by density functional theory (DFT) within generalized gradient approximation (GGA) method. The comparison between the density of states diagrams reveals that the band-gap decreases from 0.8eV relared to the pure structure to 0.3~0.4 eV for the doped structure in which a Sulfur is substituted by a Nitrogen or Phosphorous. Also, the optical properties of the strucutre including absorption coefficient has been increased from 7.1×104 cm-1 to 4×104cm-1 and 104cm-1 for the Nitrogen-Sulfur and Phosphorous-Sulfur substitutions, respectively. The substitution of Arsenic, Antimony and Bismuth atoms with Tin giving rise to the lowest formation energy in calculations induces an acceptor level in 0.3 eV energy, which leads to an absorption of 2.5×104 cm-1 in low energies. Finally, it can be said that reducing the bandgap in some cases and increasing the absorption coefficient after the dopant impurities, improve the performance of CZTS material for the usage as a solar cell absorber .

کلیدواژه‌ها [English]

  • CZTS
  • Formation Energy
  • Density of state
  • Optical properties