Ab-initio дослідження структурних, електронних та оптичних властивостей ZnX (X = Te, S і O): застосування до сонячних батарей

  • Файза Бенлахдар Кафедра електроніки, технологічний факультет, Університет Сетіфа, Алжир https://orcid.org/0009-0003-1131-6289
  • Ідріс Бушама Кафедра електроніки, технологічний факультет, Університет Мсіла, Мсіла, Алжир; Дослідницький відділ нових матеріалів (RUEM), Університет Ферхат Аббас, Сетіф, Алжир
  • Тайєб Чіхі Дослідницький відділ нових матеріалів (RUEM), Університет Ферхат Аббас , Сетіф, Алжир dЛабораторія розробки нових матеріалів і характеристик (LENMC), Університет Ферхата Аббаса, Сетіф 19000, Алжир
  • Ібрагім Гебулі Дослідницький відділ нових матеріалів (RUEM), Університет Ферхат Аббас, Сетіф, Алжир; Лабораторія розробки нових матеріалів і характеристик (LENMC), Університет Ферхата Аббаса, Сетіф, Алжир
  • Мохамед Амін Гебулі Дослідницький відділ нових матеріалів (RUEM), Університет Ферхат Аббас, Сетіф, Алжир
  • Зохра Зерругуі Лабораторія досліджень поверхонь і розділу твердих матеріалів (LESIMS), Департамент технологій, Ферхат АББАС Сетіфський університет, Сетіф, Алжир
  • Кеттаб Хатір Кафедра електротехніки, технологічний факультет, Університет Мсіла, Мсіла, Алжир
  • Мохамед Алам Сайєд Департамент фізики, Відділ науки та технологій, Педагогічний університет, Лахор, Пакистан
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-45
Ключові слова: ZnTe, ZnS, ZnO, CASTEP, DFT, щільність стану, оптичні властивості

Анотація

Метою роботи є дослідження структурних, електронних і оптичних властивостей сполук ZnX, зокрема тих, у яких X = Te, S і O, які мають пряму заборонену зону, що робить їх оптично активними. Щоб краще зрозуміти ці сполуки та їхні пов’язані властивості, ми провели детальні розрахунки за допомогою теорії функціоналу щільності (DFT) і програми CASTEP, яка використовує узагальнене градієнтне наближення (GGA) для оцінки функції крос-кореляції. Наші результати щодо модуля ґратки, ширини забороненої зони та оптичних параметрів узгоджуються як з експериментальними даними, так і з теоретичними прогнозами. Енергетична заборонена зона для всіх сполук є відносно великою через збільшення s-станів у валентній зоні. Наші результати показують, що оптичний перехід між (O - S - Te) - p-станами у найвищій валентній зоні та (Zn - S - O) - s-станами в нижчій зоні провідності зміщується до нижчої енергетичної зони. Таким чином, сполуки ZnX (X = Te, S і O) є перспективним варіантом для оптоелектронних пристроїв, таких як матеріали для сонячних елементів.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

B.G. Svensson, “Electronic structure and optical properties of Zn X ( X =O, S, Se, Te),” pp. 1–14, 2018.

M. Lee, Y. Peng, and H. Wu, “Effects of intrinsic defects on electronic structure and optical properties of Ga-doped ZnO,” J. Alloys Compd. 616, 122-127 (2014)ю https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.07.098

R. Khenata, “Elastic, electronic and optical properties of ZnS, ZnSe and ZnTe under pressure,” Computational Materials Science, 38, 29-38 (2006). https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2006.01.013

Y. Yu, J. Zhou, H. Han, and C. Zhang, “Ab initio study of structural , dielectric , and dynamical properties of zinc-blende ZnX (X = O, S, Se, Te),” Journal of Alloys and Compounds, 471, 492-497 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.04.039

S. Jeetendra, H. Nagabhushana, K. Mrudula, C.S. Naveen, P. Raghu, and H.M. Mahesh, “Concentration Dependent Optical and Structural Properties of Mo doped ZnTe Thin Films Prepared by e-beam Evaporation Method,” Int. J. Electrochem. Sci. 9, 2944-2954 (2014). http://www.electrochemsci.org/papers/vol9/90602944.pdf

S.M. Ali, A.A.A. Shehab, and S.A. Maki, “Study of the Influence of Annealing Temperature on the Structural and Optical Properties of ZnTe Prepared by Vacuum Thermal Evaporation Technique,” Ibn Al-Haitham Journal for Pure and Applied sciences, 31(1), 50-57 (2018). https://doi.org/10.30526/31.1.1851

Y. Yu et al., “Ab initio study of structural, dielectric, and dynamical properties of zinc-blende ZnX (X= O, S, Se, Te),” Journal of alloys and compounds, 471(1-2), 492-497 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.04.039

D. Bahri and L. Amirouche, “Ab initio study of the structural , electronic and optical properties of ZnTe compound,” AIP Conference Proceedings, 1653(1), (2015). https://doi.org/10.1063/1.4914210

J. Serrano, Y. Tech, A. H. Romero, and R. Lauck, “Pressure dependence of the lattice dynamics of ZnO : An ab initio approach,” Physical Review B, 69, 094306 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.094306.

V.O.I. Ume, P. Walter, L. Cohen, and Y. Petroff, “Calculated and Measured RefIectivity of ZnTe and ZnSef,” Phys. Rev. B, 1, 2661 (1970). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.1.2661

M. Caid et al., “Electronic structure of short-period ZnSe/ZnTe superlattices based on DFT calculations,” Condensed Matter Physics, 25(1), 1-10 (2022). https://doi.org/10.5488/CMP.25.13701

F. Parandin, J. Jalilian, and J. Jalilian, “Tuning of electronic and optical properties in ZnX ( X = O, S, Se and Te ) monolayer : Hybrid functional calculations,” Chemical Review & Letters, 2(2), 76-83 (2019). https://doi.org/10.22034/crl.2019.195774.1019

Z. Nourbakhsh, “Structural , electronic and optical properties of ZnX and CdX compounds (X = Se , Te and S) under hydrostatic pressure,” J. Alloys Compd. 505(2), 698-711 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.06.120.

F.D. Murnaghan, “The Compressibility of Media under Extreme Pressures,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 30(9), 244-247 (1944). https://www.jstor.org/stable/87468

M. Safari, Z. Izadi, J. Jalilian, and I. Ahmad, “Metal mono-chalcogenides ZnX and CdX (X = S , Se and Te) monolayers : Chemical bond and optical interband transitions by first principles calculations,” Phys. Lett. A, 381(6), 663-670 (2017). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2016.11.040.

S. K. Gupta, S. Kumar, and S. Auluck, “Structural, electronic and optical properties of high pressure stable phases of ZnTe,” Physica B: Condensed Matter, 404, 3789-3794 (2009). https://doi.org/10.1016/j.physb.2009.06.149

A.A. Audu, W.A. Yahya, and A.A. Abdulkareem, Physics Memoir: Journal of Theoretical & Applied Physics, “Ab initio Studies of the Structural, Electronic and Mechanical Properties of Zn1−xCrx e,” 3, 38-47 (2021).

M. Achehboune, M. Khenfouch, I. Boukhoubza, I. Derkaoui, B.M. Mothudi, I. Zorkani, A. Jorio, “Effect of Yb Concentration on the Structural, Magnetic and Optoelectronic Properties of Yb Doped ZnO : First Principles Calculation”. http://dx.doi.org/10.21203/rs.3.rs-877060/v1

R. John, and S. Padmavathi, “Ab Initio Calculations on Structural, Electronic and Optical Properties of ZnO in Wurtzite Phase,” Cryst. Struct. Theory Appl. 5(2), 24-41 (2016). https://doi.org/10.4236/csta.2016.52003

R. Chowdhury, S. Adhikari, and P. Rees, “Optical properties of silicon doped ZnO,” Phys. B Condens. Matter, 405(23), 4763 4767 (2010). https://doi.org/10.1016/j.physb.2010.08.072

C. Feng et al., “First-principle calculation of the electronic structures and optical properties of the metallic and nonmetallic elements-doped ZnO on the basis of photocatalysis,” Phys. B Condens. Matter, 555, 53-60 (2019). https://doi.org/10.1016/j.physb.2018.11.043.

L. Chen, X. Zhou, and J. Yu, “First-principles study on the electronic and optical properties of the ZnTe/InP heterojunction,” J. Comput. Electron. 18(3), 749-757 (2019). https://doi.org/10.1007/s10825-019-01358-8

A.M. Ghaleb, and A.Q. Ahmed, “Structural, electronic, and optical properties of sphalerite ZnS compounds calculated using density functional theory (DFT),” Chalcogenide Lett. 19(5), 309-318 (2022). https://doi.org/10.15251/CL.2022.195.309

Q. Hou, and S. Sha, “Effect of biaxial strain on the p-type of conductive properties of (S, Se, Te) and 2 N co-doped ZnO,” Mater. Today Commun. 24, 101063 (2020). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101063

Md.A. Momin, Md.A. Islam, A. Majumdar, “Influence on structural , electronic and optical properties of Fe doped ZnS quantum dot : A density functional theory based study,” Quantum Chemistry, 121(1), 1-13 (2020). https://doi.org/10.1002/qua.26786

M. Dong, P. Zhou, C. Jiang, B. Cheng, and J. Yu, “First-principles investigation of Cu-doped ZnS with enhanced photocatalytic hydrogen production activity State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and,” Chem. Phys. Lett. 668, 1-6 (2016). https://doi.org/10.1016/j.cplett.2016.12.008

A. Pattnaik, M. Tomar, P.K. Jha, A.K. Bhoi, V. Gupta, and B. Prasad, “Theoretical Analysis of the Electrical and Optical Properties of ZnS,” In: A. Konkani, R. Bera, and S. Paul, editors, Advances in Systems, Control and Automation. Lecture Notes in Electrical Engineering, vol. 442. (Springer, Singapore, 2018). https://doi.org/10.1007/978-981-10-4762-6_2

Y.L. Su, Q.Y. Zhang, N. Zhou, C.Y. Ma, X.Z. Liu, and J.J. Zhao, “Study on Co-doped ZnO comparatively by fi rst-principles calculations and relevant experiments,” 250, 123-128 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2016.12.002

T. Kato, J. L. Wu, Y. Hirai, H. Sugimoto, and V. Bermudez, “Record Efficiency for Thin-Film Polycrystalline Solar Cells Up to 22.9% Achieved by Cs-Treated Cu(In,Ga)(Se,S)2,” IEEE J. Photovoltaics, 9(1), 325-330 (2019). https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2882206

A. Bouzidi, and I. Bouchama, “Numerical study of the buffer influence on the Cu(In,Ga)Se2 solar cells performances by SCAPS-ID,” in: International Conference on Electronics and New Technologies (ICENT), 2017.

S.K. Gupta, S. Kumar, and S. Auluck, “Structural, electronic and optical properties of high pressure stable phases of ZnTe,” Phys. B Condens. Matter, 404(20), 3789-3794 (2009). https://doi.org/10.1016/j.physb.2009.06.149

R. Tala-Ighil Zaïr, C. Oudjehani, and K. Tighilt, “SCAPS Simulation for Perovskite Solar Cell,” J. Sol. Energy Res. Updat. 8, 21-26 (2021). https://doi.org/10.31875/2410-2199.2021.08.3

H.I. Abdalmageed, M. Fedawy, and M.H. Aly, “Effect of absorber layer bandgap of CIGS-based solar cell with (CdS/ZnS) buffer layer,” J. Phys. Conf. Ser. 2128(1), (2021). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2128/1/012009

C. Platzer-Björkman, J. Kessler, and L. Stolt, “Analysis of Zn(O,S) films for Cu(In,Ga)Se2 solar cells,” Proc. Estonian Acad. Sci. Phys. Math. 52(3), 299-307 (2003). https://doi.org/10.3176/phys.math.2003.3.06

Y.-K. Liao et al., “A look into the origin of shunt leakage current of Cu(In, Ga)Se2 solar cells via experimental and simulation methods,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 117, 145-151 (2013). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.05.031

P. Srivastava et al., “Theoretical study of perovskite solar cell for enhancement of device performance using SCAPS-1D,” Phys. Scr. 97(2), 12 (2022). https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac9dc5

M. Safari, Z. Izadi, J. Jalilian, I. Ahmad, and S. Jalali-Asadabadi, “Metal mono-chalcogenides ZnX and CdX (X = S, Se and Te) monolayers: Chemical bond and optical interband transitions by first principles calculations,” Phys. Lett. Sect. A Gen. At. Solid State Phys. 381(6), 663-670 (2017). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2016.11.040

H. T. Ganem, and A. N. Saleh, “The effect of band offsets of absorption layer on CNTS/ZnS/ZnO solar cell by SCAPS-1D,” Tikrit Journal of Pure Science, 25 (6), 79-87 (2020). http://dx.doi.org/10.25130/tjps.25.2020.114

N. Adim, M. Caid, D. Rached, and O. Cheref, “Computational study of structural, electronic, magnetic and optical properties of (ZnTe)m/(MnTe) n superlattices,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 499, 166314 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.166314 jstor

Опубліковано
2023-09-04
Цитовано
Як цитувати
Бенлахдар, Ф., Бушама, І., Чіхі, Т., Гебулі, І., Гебулі, М. А., Зерругуі, З., Хатір, К., & Сайєд, М. А. (2023). Ab-initio дослідження структурних, електронних та оптичних властивостей ZnX (X = Te, S і O): застосування до сонячних батарей. Східно-європейський фізичний журнал, (3), 413-423. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-45
Номер
№ 3 (2023): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2023 Файза Бенлахдар, Ідріс Бушама, Тайєб Чіхі, Ібрагім Гебулі, Мохамед Амін Гебулі, Зохра Зерругуі, Кеттаб Хатір, Мохамед Алам Сайєд

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).