Структура і властивості ZnSnP2 для застосування в фотоелектричних пристроях з використанням буферних шарів на основі CdS І ZnTe

  • Нірадж Нірадж Фізичний факультет, Банасталі Від’япіт, Раджастан, Індія
  • Аджай Сінгх Верма Факультет природничих та прикладних наук, Школа технологій, Глокал університет Сахаранпур, Уттар Прадеш, Індія https://orcid.org/0000-0001-8223-7658
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-1-09
Ключові слова: розрахунки Ab-initio, електронні властивості, пружні константи, термодинамічні властивості

Анотація

Представлено розширений аналіз параметрів, пов’язаних із структурними, електронними, оптичними та механічними властивостями халькопіритового матеріалу на основі цинку, використовуючи повний потенціал лінеаризованого методу доповненої плоскої хвилі (FP-LAPW) в рамках теорії функціональності щільності. Розрахунки ab initio виконувались методом лінеаризованої розширеної плоскої хвилі (LAPW), реалізованого в коді WIEN2K в рамках теорії функціоналу щільності, щоб отримати структурні, електронні та оптичні властивості ZnSnP2 у об’ємно-центрованій тетрагональній (BCT) фазі. Представлено шість пружних констант (C11, C12, C13, C33, C44 і C66) та механічні параметри, які порівнюються з наявними експериментальними даними. Для точного опису залежності від тиску і температури коефіцієнта теплового розширення, об'ємного модуля, питомої теплоти, температури Дебая, параметрів ентропії Грюнайзена використовуються термодинамічні розрахунки в квазігармонічному наближенні. На основі напівемпіричного співвідношення ми визначили твердість матеріалу; що пояснюється різною силою ковалентного зв’язку. Крім того, змодельовані сонячних елементи на основі ZnSnP2, також проаналізовано фізику пристрою та параметри продуктивності для буферних шарів ZnTe та CdS. Результати моделювання для тонкошарової сонячної батареї ZnSnP2 показують максимальну ефективність (22,9%) із ZnTe в якості буферного шару. Більшість досліджуваних параметрів повідомляється вперше. Результат цього дослідження додатково підтверджує перспективи використання цього халькопіриту, який за своєю суттю був би стійким та відповідав би гнучкому субстрату, що є найважливішими характеристиками для комерціалізації сонячних елементів на основі халькопіриту. Таким чином, сприяння еволюції цього матеріалу для досягнення високоефективних оптоелектронних пристроїв відкриває новий шлях у галузі створення сонячних елементів.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

S. Mukherjee, T. Maitra, A. Nayak, A. Pradhan, M. K. Mukhopadhyay, B. Satpati, and S. Bhunia, Materials Chemistry and Physics 204, 147-153 (2018), https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.10.014.

S. Sharma, and A.S. Verma, Eur. Phys. J. B, 87, 159 (2014), https://doi.org/10.1140/epjb/e2014-41097-2.

S. Sahin, Y.O. Ciftci, K. Colakoglu and N. Korozlu, J. Alloy. Comp. 529, 1-7 (2012), https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.03.046.

A.D. Martinez, E.L. Warren, P. Gorai, K.A. Borup, D. Kuciauskas, P.C. Dippo, and S.W. Boettcher, Energy & Environmental Science, 9, 1031-1041 (2016), https://doi.org/10.1039/C5EE02884A.

A.D. Martinez, A.N. Fioretti, E.S. Toberer, and A.C. Tamboli, J. Materials Chemistry A, 5, 11418-11435 (2017), https://doi.org/10.1039/C7TA00406K.

K. Miyauchi, T. Minemura, K. Nakatani, H. Nakanishi, M. Sugiyama, and S. Shirakata, Phys. Stat. Sol. C, 6, 1116 (2009), https://doi.org/10.1002/pssc.200881170.

S. Nakatsuka, S. Akari, J. Chantana, T. Minemoto, and Y. Nose, ACS Applied Materials & Interfaces, 9, 33827-33832 (2017), https://doi.org/10.1021/acsami.7b08852.

S. Nakatsuka, N. Yuzawa, J. Chantana, T. Minemoto, and Y. Nose, Physica Status Solidi A, 214, 1600650 (2017), https://doi.org/10.1002/pssa.201600650.

D.O. Scanlon, and A. Walsh, Appl. Phys. Letts. 100, 251911 (2012), https://doi.org/10.1063/1.4730375.

P.C. Sreeparvathy, V. Kanchana, and G. Vaitheeswaran, J. Appl. Phys, 119, 085701 (2016), https://doi.org/10.1063/1.4942011.

A.S. Verma, Mat. Chem. Phys. 139, 256 (2013), https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2013.01.032.

N. Yuzawa, J. Chantana, S. Nakatsuka, Y. Nose, and T. Minemoto, Curr. Appl. Phys. 17, 557-564 (2017), https://doi.org/10.1016/j.cap.2017.02.005.

Y. Zhang, Comp. Mat. Sci. 133, 152-158 (2017), https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.03.016.

G.K.H. Madsen, P. Blaha, K. Schwarz, E. Sjöstedt, and L. Nordström, Phys. Rev. B, 64, 195134 (2001), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.64.195134.

K. Schwarz, P. Blaha, and G.K.H Madsen, Comput. Phys. Commun. 147, 71 (2002), https://doi.org/10.1016/S0010-4655(02)00206-0.

P. Blaha, K. Schwarz, G.K.H. Madsen, D. Kvasnicka, and J. Luitz, in: WIEN2K, An Augmented Plane Wave Plus Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties, edited by K. Schwarz (Techn. Universität Wien, Austria, 2001).

Z. Wu, and R.E. Cohen, Phys. Rev. B, 73, 235116 (2006), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.235116.

F. Tran, R. Laskowski, P. Blaha, and K. Schwarz, Phys. Rev. B, 75, 115131 (2007), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.115131.

W. Kohn, and L.J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965), https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133.

J.P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.

F. Tran and P. Blaha, Phys. Rev. Letts. 102, 226401 (2009), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.226401.

P.E. Blochl, O. Jepsen, and O.K. Andersen, Phys. Rev. B, 49, 16223 (1994), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.49.16223.

F.D. Murnaghan, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 30, 244-247 (1947), https://doi.org/10.1073/pnas.30.9.244.

V.L. Shaposhnikov, A.V. Krivosheeva, V.E. Borisenko, J.L. Lazzari, and F.A. Avitaya, Phys. Rev. B, 85, 205201 (2012), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.205201.

J. Sun, H.T. Wang, N.B. Ming, J. He, and Y. Tian, Appl. Phys. Letts. 84, 4544 (2004), https://doi.org/10.1063/1.1758781.

S. Saha, and T.P. Sinha, Phys. Rev. B, 62, 8828 (2000), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.8828.

P.Y. Yu, and M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors, (Springer-Verlag, Berlin, 1996).

M.Q. Cai, Z. Yin, and M.S. Zhang, Appl. Phys. Letts, 83, 2805 (2003), https://doi.org/10.1063/1.1616631.

S. Sharma, A.S. Verma, R. Bhandari, S. Kumari, and V.K. Jindal, Materials Science in Semiconductor Processing, 27, 79-96 (2014), https://doi.org/10.1016/j.mssp.2014.06.015.

J.C. Rife, R.N. Dexter, P.M. Bridenbaugh, and B.W. Veal, Phys. Rev. B, 16, 4491 (1977), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.16.4491.

J.F. Nye, Physical Properties of Crystals, Their Representation by Tensors and Matrices, (Oxford Univ. Press, Oxford, USA, 1985).

W. Voigt, Lehrbuch der Kristallphysik, (Teubner, Leipzig, 1928).

I.R. Shein, and A.L. Ivanovskii, Scripta Materiali, 59, 1099-1002 (2008), https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.07.028.

A. Reuss, and Z. Angew. Math. Mech. 9, 55 (1929), https://doi.org/10.1002/zamm.19290090104.

R. Hill, Proc. Phys. Soc. Lond. A, 65, 349 (1952), https://doi.org/10.1088/0370-1298/65/5/307.

S.F. Pugh, Philos. Mag. 45, 823-843 (1953), https://doi.org/10.1080/14786440808520496.

K. Chen, L. Zhao, and J.S. Tse, J. Appl. Phys. 93, 2414 (2003), https://doi.org/10.1063/1.1540742.

K. Chen, L. Zhao, J.S. Tse, and J.R. Rodgers, Phys. Lett. A, 331, 400 (2004), https://doi.org/10.1016/j.physleta.2004.09.034.

M.A. Blanco, E. Francisco, and V. Luaña, Comput. Phys. Commun. 158, 57 (2004), https://doi.org/10.1016/j.comphy.2003.12.001.

M.A. Blanco, A. Martín Pendás, E. Francisco, J.M. Recio, and R. Franco, J. Mol. Struct. Theochem. 368, 245 (1996), https://doi.org/10.1016/S0166-1280(96)90571-0.

M. Flórez, J.M. Recio, E. Francisco, M.A. Blanco, and A.M. Pendás, Phys. Rev. B, 66, 144112 (2002), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.144112.

E. Francisco, M.A. Blanco, and G. Sanjurjo, Phys. Rev. B, 63, 094107 (2001), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.094107.

J.P. Poirier, Introduction to the Physics of Earth’s Interior, (Cambridge University Press, Oxford, 2000), pp. 39.

A.S. Verma, and S.R. Bhardwaj, J. Phys: Condensed Matter, 19, 026213 (2007), https://doi.org/10.1088/0953-8984/19/2/026213.

R. Gautam, P. Singh, S. Sharma, S. Kumari, and A.S. Verma, Superlattices and Microstructures, 85, 859-871 (2015), https://doi.org/10.1016/j.spmi.2015.07.014.

B.G. Streetman, and S.K. Banerjee, Solid State Electronic Devices' 6th ed. (Pearson College Div, 2010), pp. 581.

Y.P. Varshni, Physica, 34, 149 (1967), https://doi.org/10.1016/0031-8914(67)90062-6.

B.O. Seraphin, editor, Solar Energy Conversion–Solid State Physics Aspects Topics in Applied Physics, Volume 31, (Springer-Verlag, Heidelberg, 1979), https://doi.org/10.1007/3-540-09224-2.

S.M. Sze, Physics of semiconductor devices, 2nd ed. (John Wiley and Sons, NY, 1981), pp. 880.

P. Wurfel, Physics of Solar Cells, (Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2005), pp. 188.

V. Kumar, A.K. Shrivastava, R. Banerji, and D. Dhirhe, Solid State Communications, 149, 1008-1011 (2009), https://doi.org/10.1016/j.ssc.2009.04.003.

A.S. Verma, S. Sharma, and V.K. Jindal, Mod. Phys. Letts. B, 24, 2511 (2010), https://doi.org/10.1142/S0217984910024821.

A.S. Verma, Phys. Status Solidi B, 246, 192 (2009), https://doi.org/10.1002/pssb.200844242.

A.S. Verma, and D. Sharma, Phys. Scr. 76, 22 (2007), https://doi.org/10.1088/0031-8949/76/1/004.

K.F. Young, and H.P.R. Fredrikse, J. Phys. Chem. Ref. Data 2, 313 (1973), https://doi.org/10.1063/1.3253121.

K.K. Kima, S. Niki, J.Y. Oh, J. Song, T.Y. Seong, S.J. Park, S. Fujita, and S.W. Kimb, J. Appl. Phys. 97, 066103 (2005), https://doi.org/10.1063/1.1863416.

M.A. Bodea, G. Sbarcea, G.V. Naik, A. Boltasseva, T.A. Klar, and J.D. Pedarnig, Appl. Phys. A, 110, 929 (2013), https://doi.org/10.1007/s00339-012-7198-6.

S. Mondal, S.R. Bhattacharyya, and P. Mitra, Pramana J. Physics, 80, 315 (2013), https://doi.org/10.1007/s12043-012-0463-6.

R.K. Swank, Phys. Rev. 153, 844 (1967), https://doi.org/10.1103/PhysRev.153.844.

Z.C. Feng, editor, Handbook of Zinc Oxide and Related Materials: Devices and Nano Engineering, Volume 2, (CRC Press/Taylor & Francis, Boca Raton, FL, 2012).

M.A. Olopade, O.O. Oyebola, and B.S. Adeleke, Adv. Appl. Sci. Res. 3, 3396 (2012), https://www.researchgate.net/profile/Muteeu_Olopade/publication/283294216_Investigation_of_some_materials_as_buffer_layer_in_copper_zinc_tin_sulphide_Cu2ZnSnS4_solar_cells_by_SCAPS-1D/links/5699290108aea14769432a39.pdf.

X. Yang, C. Xu, and N.C. Giles, J. Appl. Phys. 104, 073727 (2008), https://doi.org/10.1063/1.2996032.

B.K. Meyer, ZnO: electron and hole mobilities, Landolt-Börnstein-Group III, Condensed Matter, 44D, 610 (2011).

M. Burgelman, K. Decock, S. Khelifi, A. Abass, Thin Solid Films, 535, 296 (2013), https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.10.032.

M.A. Green, Solar Cells, Operating Principles, Technology and System Applications, Prentice Hall Inc., (1982)

W.E. Spear, J. Mort, Proc. Phys. Soc. 81, 130 (1963), https://doi.org/10.1088/0370-1328/81/1/319.

M.S. Hossain, M.M. Aliyu, M.A. Matin, M.A. Islam, M.R. Karim, T. Razykov, K. Sopian, and N. Amina, Int. J. Mech. Mater. Eng. 6, 350 (2011).

H.J. Moller, Progress in Materials Science 35, 205-418 (1991), https://doi.org/10.1016/0079-6425(91)90001-A.

S. Siebentritt, U. Rau, Wide-Gap Chalcopyrites, (Springer, 2006).

Опубліковано
2021-02-13
Цитовано
Як цитувати
Нірадж, Н., & Верма, А. С. (2021). Структура і властивості ZnSnP2 для застосування в фотоелектричних пристроях з використанням буферних шарів на основі CdS І ZnTe. Східно-європейський фізичний журнал, (1), 63-79. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-1-09
Номер
№ 1 (2021): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2021 Neeraj, Ajay Singh Verma

Ліцезія Creative Commons

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.

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).