Дослідження структурних, оптоелектронних та фотовольтаїчних характеристик сполуки Cu₂SnS₃: комплексне DFT та SCAPS-1D моделювання

Автор(и)

  • Буалем Када 1Лабораторія матеріалознавства та застосувань (LSMA), Факультет наук і технологій, Університет Айн-Темушент, Алжир https://orcid.org/0009-0007-2817-4167 (неавтентифікований)
  • Каріма Беньяхія Лабораторія матеріалознавства та застосувань (LSMA), Факультет наук і технологій, Університет Айн-Темушент, Алжир https://orcid.org/0000-0001-8690-8949 (неавтентифікований)
  • Набіл Белуфа Лабораторія мікро- та нанофізики (LaMiN), Національна політехнічна школа Оран, Оран, Алжир; Гідрометеорологічний інститут навчання та досліджень IHFR, Оран, Алжир https://orcid.org/0009-0004-8612-3948 (неавтентифікований)
  • Хамза Рекаб-Джабрі Лабораторія мікро- та нанофізики (LaMiN), Національна політехнічна школа Оран, Оран, Алжир; 4Факультет наук про природу та життя та наук про Землю, Університет АкліМоханд-Ульхадж, Буйра, Алжир https://orcid.org/0000-0002-2458-1335 (неавтентифікований)
  • Д. Белфеннаше Дослідницький центр промислових технологій (CRTI), Алжир, Алжир https://orcid.org/0000-0002-4908-6058 (неавтентифікований)
  • Абделькадер Бухенна Лабораторія матеріалознавства та застосувань (LSMA), Факультет наук і технологій, Університет Айн-Темушент, Алжир
  • Самір Бекхейра Лабораторія мікро- та нанофізики (LaMiN), Національна політехнічна школа Оран, Оран, Алжир
  • А. Аламі Лабораторія технологічних процесів, матеріалів та навколишнього середовища, Технологічний факультет, Університет Джиллалі Ліабес, Сіді-Бель-Аббес, Алжир https://orcid.org/0000-0001-7000-8292 (неавтентифікований)
  • Хамад М. Адресс Хасан Кафедра хімії, факультет природничих наук, Університет Омара аль-Мухтара, Лівія https://orcid.org/0000-0002-6739-8311 (неавтентифікований)
  • Hamdy A. Khatab Ali Кафедра хімії, факультет освіти (Аль-Мардж), університет Бенгазі, Лівія

DOI:

https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-28

Ключові слова:

Cu₂SnS₃, FP-LAPW, LDA, TB-mBJ U, фотоелектричні елементи

Анотація

Оцінка структурних, оптоелектронних та фотоелектричних характеристик сполуки Cu₂SnS₃ є важливою для розробки матеріалів для сонячної енергетики. Цей потрійний халькогенідний напівпровідник вирізняється сильним потенціалом у фотоелектричних застосуваннях завдяки широкому діапазону поглинання світла та хімічній стабільності. У цій статті ми дослідили структурні та оптоелектронні властивості потрійних напівпровідників на основі міді, зокрема тих, що входять до складу сполуки Cu₂SnS₃, а також їхню ефективність у фотоелектричних застосуваннях. Оскільки в попередніх дослідженнях існували значні відмінності щодо значень ширини забороненої зони (0,65-1,35 еВ), було зроблено спробу знайти відповідне наближення для вивчення цього типу сполуки. Структурні властивості досліджувалися з використанням як форми узагальненого градієнтного наближення (GGA) Пердью-Берка-Ернцергофа (PBE), так і наближення локальної густини (LDA), що дозволяє провести порівняльну оцінку впливу різних обмінно-кореляційних функціоналів на структуру матеріалу. Враховуючи важливий вплив, який деелектрони Cu відіграють на визначення їхніх електронних властивостей, як показано результатами, отриманими при використанні різних функціоналів обмінної кореляції енергії, для систематичної оптимізації розрахованого зміщення аніонів було використано комбіновану функцію потенціалу Бекке-Джонсона, модифікованого Траном та Блахою, та потенціалу Хаббарда (TB-mBJ+U). Розрахунки дали значення ширини забороненої зони. Енергія напівпровідникової квазічастинки в моноклінній структурі (m-CTS; SG: Cc) становить 0,7 еВ, а в орторомбічній структурі (золото-CTS; SG: Imm2) – 0,73 еВ, що значною мірою узгоджується з експериментальними значеннями. Дослідження оптичних властивостей, включаючи діелектричну функцію, також виявило коефіцієнт відбиття, коефіцієнт поглинання та показник заломлення сполуки Cu₂SnS₃ у двох її фазах. Остання вважається перспективним кандидатом для оптоелектронних застосувань. Для перевірки цього ми використали програму SCAPS, і результати були хорошими. Коли ця сполука використовується як абсорбуючий шар у фотоелектричному елементі, густина струму (Jsc) збільшується, досягаючи піку при товщині 800 нм.

Посилання

R. Ouldamer, D. Madi, and D. Belfennache, in: Advanced Computational Techniques for Renewable Energy Systems. IC-AIRES 2022. Lecture Notes in Networks and Systems, vol. 591, edited by M. Hatti, (Springer, Cham. 2023). pp. 700-705, https://doi.org/10.1007/978-3-031-21216-1_71

S. Mahdid, D. Belfennache, D. Madi, M. Samah, R. Yekhlef, and Y. Benkrima, J. Ovonic. Res. 19(5), 535-545 (2023). https://doi.org/10.15251/JOR.2023.195.535

D. Belfennache, N. Brihi, and D. Madi, in: Proceedings of the IEEE xplore, 8th (ICMIC) (IEEE, 2017). pp. 497–502. https://doi.org/10.1109/ICMIC.2016.7804164

A.C. Lokhande, P.T. Babar, V.C. Karade, M.G. Gang, V.C. Lokhande, C.D. Lokhande, and J.H. Kim, J. Mater. Chem. A, 7, 17118–17182 (2019). https://doi.org/10.1039/C9TA00867E

C. Xing, Y. Lei, M. Liu, S. Wu, W. He, and Z. Zheng, Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 16469 (2021). https://doi.org/10.1039/D1CP02067F

F. Saker, L. Remache, D. Belfennache, K.R. Chebouki, and R. Yekhlef, Chalcogenide Lett. 22(2), 151 (2025). https://doi.org/10.15251/CL.2025.222.151

Q. Zhao, R. Han, A.R. Marshall, S. Wang, B.M. Wieliczka, J. Ni, J. Zhang, et al., Adv Mater. 34, 2107888 (2022). https://doi.org/10.1002/adma.202107888

F. A. Boukhelkhal, N. Selmane, A. Cheknane, M. Noureddine, A. Zoukel, N. Baydogan, B. Günalan, and H. S. Hilal, Chem. Phys., 601,112952 (2026), https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2025.112952

A. Saoudi, Y. Bouznit, F. Chouikh, and G. Leroy, Chem. Phys. 600, 112894 (2026). https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2025.112894

J. Chi, H. Wei, L. Chu, L. Han, T. Liu, X. Zhong, D. Kou, et al., Energy Environ. Sci. 18, 8366 (2025). https://doi.org/10.1039/D5EE02706C

S. Tao, H. Wang, M. Jia, J. Han, Z. Wu, J. Zhou, M. Baranova, et al., Adv. Funct. Mater. 35(23), 2423251 (2025). https://doi.org/10.1002/adfm.202423251

P.A. Fernandes, P.M.P. Salomé, and A.F. Da Cunha, J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 215403 (2010). https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/21/215403

A.G. Chronis, E. Karantagli, F.I. Michos, C.S. Garoufalis, and M.M. Sigalas, Solid. State. Commun. 332, 114326 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2021.114326

X. Wu, Z. Zhang, and H. Soleymanabadi, Solid. State. Commun. 306, 11377 (2020). https://doi. /10.1016/j.ssc.2019.113770

E.J. Skoug, J.D. Cain, D.T. Morelli, J. Alloys. Compd. 506, 18 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.06.182

L.K. Samanta, Phys. Status Solidi a, 100, K93 (1987). https://doi.org/10.1002/pssa.2211000165

G. Marcano, C. Rincon, L.M. De Chalbaud, D.B. Bracho, and G.S. Perez, J. Appl. Phys. 90, 1847 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1383984

S.K. Biswas, M.M. Ahmed, M.F. Orthe, M.S. Sumon, and K. Sarker, Eur. J. Electr. Eng. Comput. Sci. 7, 63 (2023). https://doi.org/10.24018/ejece.2023.7.5.558

P.P.J. Helan, K. Mohanraj, G. Sivakumar, Iran. J. Sci. Technol. Trans. A Sci. 42, 1677 (2018). https://doi.org/10.1007/s40995-017-0355-1

G.H. Chandra, O.L. Kumar, R.P. Rao, and S. Uthanna, J. Mater. Sci. 46, 6952 (2011). https://doi.org/10.1007/s10853-011-5661-y

T.J. Huang, X. Yin, G. Qi, Phys. Status. Solidi RRL, 8, 735 (2014). https://doi.org/10.1002/pssr.201409219

A. Ali, J. Jacob, M.I. Arshad, M.A. Nabi, A. Ashfaq, K. Mahmood, N. Amin, et al., Solid. State Sci. 103, 106198 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences

U.V. Ghorpade, M.P. Suryawanshi, S.W. Shin, I. Kim, S.K. Ahn, J.H. Yun, and J.H. Kim, Chem. Mater. 28, 3308 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b00176

B. Saparov, Chem. Rev. 122, 10575 (2022). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00346

U.A. Shah, A. Wang, M.I. Ullah, M. Ishaq, I.A. Shah, Y. Zeng, and K. Sun, Small, 20, 2310584 (2024). https://doi.org/10.1002/smll.202310584

Lalarukh, S.M. Hussain, S. Ali, A.F. Zahoor, H. Azmat, N. Nazish, M.A. Alshehri, et al., Polym. Adv. Technol. 35, e6471 (2024). https://doi.org/10.1002/pat.6471

H. Zhou, W.C. Hsu, H.S. Duan, B. Bob, W. Yang, T.B. Song, and Y. Yang, Energy Environ. Sci. 6, 2822 (2013). https://doi.org/10.1039/C3EE41627E

Y. Bellal, A. Bouhank, D. Belfennache, R. Yekhlef, East Eur. J. Phys. (1), 170 (2025). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-16

A. Urbina, J Phys Energy., 2, 022001 (2020). https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab5eee

M.F. Islam, N.M. Yatim, P. Chelvanathan, M.T. Ferdaous, M.A. Hashim, A.K. Modak, N. Amin, Malaysian J. Sci. Health. Technol. 7, 110 (2020). https://doi.org/10.33102/mjosht.v7io.117

M. Wang, M. He, L. Zhu, B. Ma, F. Zhang, P. Liang, X. Chao, et al., J. Mater. Chem. A., 10, 12946 (2022). https://doi.org/10.1039/D2TA02888C

M.H. Sayed, M.M. Gomaa, and M. Boshta, Results. Opt. 12, 100499 (2023). https://doi.org/10.1016/j.rio.2023.100499

O.V. Parasyuk, L.D. Olekseyuk, and O.V. Marchuk, J. Alloys Compd. 287, 197 (1999). https://doi.org/10.1016/S0925-8388(99)00047-X

S.B. Jathar, S.R. Rondiya, Y.A. Jadhav, D.S. Nilegave, R.W. Cross, S.V. Barma, M.P. Nasane, et al., Chem. Mater. 33, 1983 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03223

A.C. Lokhande, R.B.V. Chalapathy, M. He, E. Jo, M. Gang, S.A. Pawar, and J.H. Kim, Sol. Energy. Mater. Sol. Cells, 153, 84 (2016). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.04.003

A.C. Lokhande, K.V. Gurav, E. Jo, C.D. Lokhande, and J.H. Kim, J. Alloys. Compd. 656, 295 (2016). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.09.232

A.C. Lokhande, K.V. Gurav, E. Jo, M. He, C.D. Lokhande, and J.H. Kim, Opt. Mater. 54, 207 (2016). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.02.040

T.A. Kuku, and O.A. Fakolujo, Energy Mater. 16, 199 (1987). https://doi.org/10.1016/0165-1633(87)90019-0

J. Koike, K. Chino, N. Aihara, H. Araki, R. Nakamura, K. Jimbo, and H. Katagiri, Jpn. J. Appl. Phys., 51, 10 (2012). https://doi.org/10.1143/JJAP.51.10NC34

M. Umehara, Y. Takeda, T. Motohiro, T. Sakai, H. Awano, and R. Maekawa, J. Neurol. Sci. 146, 167 (1997). https://doi.org/10.1016/S0022-510X(96)00301-2

G.E. Delgado, A.J. Mora, G. Marcano, and C. Rincón, Mater. Res. Bull. 38, 1949 (2003). https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2003.09.017

A.D. Dugarte, N.R. Pineda, L. Nieves, J.A. Henao, G.D. Delgado, and J.M. Delgado, Acta. Cryst. B, 77, 158 (2021). https://doi.org/10.1107/S2052520620016571

C. Wu, Z. Hu, C. Wang, H. Sheng, J. Yang, and Y. Xie, Appl. Phys. Lett. 91, 143104 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2790491

D. Avellaneda, M.T.S. Nair, and P.K. Nair, J. Electrochem. Soc. 157, D346 (2010). https://doi.org/10.1149/1.3384660

M. Adelifard, M.M.B. Mohagheghi, and H. Eshghi, Phys. Scr. 85, 035603 (2012). https://doi.org/10.1088/0031-8949/85/03/035603

X. Chen, H. Wada, A. Sato, and M. Mieno, J. Solid. State. Chem. 139, 144 (1998). https://doi.org/10.1006/jssc.1998.7822

V. Roblés, J.F. Trigo, C. Guillén, and J. Herrero, J. Alloys. Compd. 642, 40 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.04.104

R. Bodeux, J. Leguay, and S. Delbos, Thin Solid Films, 582, 229 (2015). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.09.023

J. Chang, and E.R. Waclawik, Cryst. Eng. Comm. 15, 5612 (2013). https://doi.org/10.1039/C3CE40284C

Y.T. Zhai, S. Chen, J.H. Yang, H.J. Xiang, X.G. Gong, A. Walsh, J. Kang, et al., Phys. Rev. B, 84, 075213 (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.075213

Y. Dong, J. He, X. Li, W. Zhou, Y. Chen, L. Sun, P. Yang, et al., Mater. Lett. 160, 468 (2015). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.08.028

Q. Chen, X. Dou, Y. Ni, S. Cheng, and S. Zhuang, J. Colloid Interface Sci. 376, 327 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2012.03.015

Y. Benkrima, D. Belfennache, R. Yekhlef, and A.M. Ghaleb, Chalcogenide Lett. 20, 609-618 (2023). https://doi.org/10.15251/CL.2023.208.609

K. Schwarz, P. Blaha, Comput. Mater. Sci. 28, 259 (2003). https://doi.org/10.1016/S0927-0256(03)00112-5

Y. Achour, Y. Benkrima, I. Lefkaier, and D. Belfennache, J. Nano- Electron. Phys. 15(1), 01018(5pp) (2023). https://doi.org/10.21272/jnep.15(1).01018

Y. Benkrima, D. Belfennache, R. Yekhlef, M.E. Soudani, A. Souiga, and Y. Achour, East Eur. J. Phys. (2), 150 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-2-14

Y. Benkrima, S. Benhamida, and D. Belfennache, Dig. J. Nanomater. Bios. 18(1), 11 (2023) https://doi.org/10.15251/DJNB.2023.181.11

Y. Benkrima, M.E. Soudani, D. Belfennache, H. Bouguettaia, and A. Souigat, J. Ovonic. Res. 18(6), 797 (2022). https://doi.org/10.15251/JOR.2022.186.797

A. Djemli, M. Reffas, K. Bouferrache, F. Benlakhdar, R. Yekhlef, D. Belfennache, S.I. Ahmed, et al., Phys. Solid State, 67(5), 356 (2025). https://doi.org/10.1134/S1063783425600499

K. Madoui, A Ghechi, S. Madoui, R. Yekhlef, D. Belfennache, S. Zaiou, and M.A. Ali, East Eur. J. Phys. (3), 390 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-48

E. Danladi, M. Kashif, A. Ichoja, and B.B. Ayiya, Trans. Tianjin. Univ. 29, 62 (2023). https://doi.org/10.1007/s12209-022-00343-w

A. Maoucha, T. Berghout, F. Djeffal, and H. Ferhati, Sol. Energy, 287, 113251 (2025). https://doi.org/10.1016/j.solener.2025.113251

I.D. Mayergoyz, J. Appl. Phys. 59, 195 (1986). https://doi.org/10.1063/1.336862

P. Lazzeretti, J. Chem. Phys. 151, 114108 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5124250

A.N. Tuama, L.H. Alzubaidi, M.H. Jameel, K.H. Abass, M.Z.H. Mayzan, and Z.N. Salman, J. Sol-Gel. Sci. Technol. 110, 792 (2024). https://doi.org/10.1007/s10971-024-06385-x

F.D. Murnaghan, 30, 244 (1944). https://doi.org/10.1073/pnas.30.9.244

T. Raadik, M. Grossberg, J. Krustok, M. Kauk-Kuusik, A. Crovetto, R.B. Ettlinger, O. Hansen, et al., Appl. Phys. Lett. 110, 261105 (2017). https://doi.org/ 10.1063/1.4990657

T. Nomura, T. Maeda, T. Wada, Prog. Photovolt. Res. Appl. 20, 520 (2012). https://doi.org/10.1002/pip.2183

M. Onoda, X.A. Chen, A. Sato, and H. Wada, Mater. Res. Bull. 35, 1563 (2000). https://doi.org/10.1016/S0025-5408 (00)00347-0

M. Mesbahi, M.L. Benkhedir, UPB Sci. Bull. Ser. A, 79, 293 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033067

A. Kanai, K. Toyonaga, K. Chino, H. Katagiri, and H. Araki, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 08KC06 (2015). https://doi.org/10.7567/JJAP.54.08KC06

J.D. De Wild, E.V.C. Robert, B.E. Adib, D. Abou-Ras, and P.J. Dale, Sol. Energy. Mater. Sol. Cells. 157, 259 (2016). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.04.039

V.I. Anisimov, J. Zaanen, and O.K. Andersen, Phys. Rev. B, 44, 943 (1991). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.943

A. Shigemi, T. Maeda, and T. Wada, Phys. Status Solidi B, 252, 1230 (2015). https://doi.org/10.1002/pssb.201400346

V.L. Shaposhnikov, A.V. Krivosheeva, V.E. Borisenko, and J.L. Lazzari, Sci. Jet. 1, 1–4 (2012).

T. Ouslimane, L. Et-taya, L. Elmaimouni, and A. Benami, Heliyon, 7, e06379 (2021). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e06379

A.A. Kanoun, M.B. Kanoun, A.E. Merad, and S. Goumri-Said, Sol. Energy. 182, 237 (2019). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.02.041

M.K. Das, S. Panda, and N. Mohapatra, Mater. Today Proc. 74, 756 (2023). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.11.031

S. Ahmed, F. Jannat, M.A.K. Khan, and M.A. Alim, Optik, 225, 165765 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165765

A.N. Abena, A.T. Ngoupo, F.A. Abega, and J.M.B. Ndjaka, Chinese J. Phys. 76, 94 (2022). https://doi.org/10.1016/j.cjph.2021.12.024

M. Burgelman, P. Nollet, and S. Degrave, Thin Solid Films, 361–362, 527 (2000). https://doi.org/10.1016/S0040-6090(99)00825-1

F.E. Ikuemonisan, Y.O. Kayode, and O.B. Odubote, Next Materials, 8, 100870 (2025). https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2025.100870

D. Belfennache, D. Madi, N. Brihi, M.S. Aida, and M.A. Saeed, Appl. Phys. A, 124, 697 (2018). https://doi.org/10.1007/s00339-018-2118-z

R. Ouldamer, D. Belfennache, D. Madi, R. Yekhlef, S. Zaiou, and M.A. Ali, J. Ovonic. Res. 20(1), 45 (2024). https://doi.org/10.15251/JOR.2024.201.45

D. Belfennache, D. Madi, R. Yekhlef, L. Toukal, N. Maouche, M.S. Akhtar, and S. Zahra, Semicond. Phys. Quant. Optoelectron. 24(4), 378 (2021). https://doi.org/10.15407/spqeo24.04.378

Завантаження

Опубліковано

2026-06-10

Номер

№ 2 (2026): Східно-європейський фізичний журнал

Розділ

Статті

Ліцензія

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

    • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).

Як цитувати

Дослідження структурних, оптоелектронних та фотовольтаїчних характеристик сполуки Cu₂SnS₃: комплексне DFT та SCAPS-1D моделювання. (2026). Східно-європейський фізичний журнал, 2, 260-274. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-28

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають