Identification of thin-film photovoltaic cell materials based on high-throughput first-principles calculations

Datum: 1 juni 2015

Locatie: Campus Groenenborger, gebouw U, lokaal U.024 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Nasrin Sarmadian

Promotor: Dirk Lamoen, Bart Partoens

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Nasrin Sarmadian, Faculteit Wetenschappen - Departement Fysica



Abstract

In deze thesis worden accurate high-throughput berekeningen gebaseerd op het dichtheidsfunctionaal ('Density Functional Theory', DFT) formalisme gebruikt om de opto-elektronische eigenschappen van verschillende materialen, die deel uitmaken van een zonnecel, te bestuderen.

Na het onderzoek van Al-gedopeerd MgO, werden alle bestaande binaire oxides met de bixbyiet structuur alsook hun ternaire mengkristallen (AxB1-x)2O3 (in totaal 1541 oxides) onderzocht op hun potentieel als transparant geleidende oxide ('transparent conducting oxide', TCO). De criteria waren: (i) een minimale bandkloof, (ii) posities van valentie- en conductieband in overeenstemming met een gemakkelijke n- of p-dopering, (iii) een minimale thermodynamische stabiliteit. Uit onze berekeningen volgde dat bixbyiet V2O3 een mogelijk p-type TCO materiaal is. Daarnaast vonden we 4 potentiële n-type kandidaten onder de mengkristallen (AxB1-x)2O3 met x = 0.5.

Verder onderzochten we het effect van puntdefecten op de elektronische eigenschappen van V2O3. Een zuurstof vacature heeft geen effect op de geleiding, en een vanadium vacature is een relatief ondiepe acceptor. Substitutioneel magnesium (op de plaats van vanadium) gedraagt zich als een ondiepe acceptor.

High-throughput DFT berekeningen werden ook gebruikt om alle binaire, ternaire en quaternaire oxides uit de AFLOWLIB databank te screenen en mogelijke p-type TCO materialen met een kleine holte-bandmassa te identificeren. We vonden vijf nieuwe potentiële kandidaten: La2SeO2, Gd2SeO2, Nd2SeO2, Pr2SeO2, en FeTeFO3. Ze hebben alle een direct bandkloof groter dan 3.1 eV en een gemiddelde bandmassa voor holten kleiner dan 0.76 me.

In een laatste deel van de thesis werden de opto-elektronische eigenschappen van Cu-gebaseerde quaternaire chalcogenen onderzocht met het oog op de identificatie van potentiële absorptielagen. We gebruiken de 'spectroscopic limited maximum efficiency' (SLME) als maat voor de (energie-conversie) efficientie. We onderzoeken het effect van de samenstelling op de eigenschappen van Cu2-II-IV-VI4 met II = {Cd, Hg, Zn} en IV = {Sn, Ge}. Het effect van het karakter van de bandkloof (direct of indirect) op de efficientie werd onderzocht. Onze resultaten identificeren Cu2CdGeSe4, Cu2ZnSnS4, en Cu2CdSnS4 als zeer efficiente absorptielagen voor zonnecellen.