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Al/Sb掺杂ZnTe光电特性的第一性原理研究

王康  
【摘要】:ZnTe因其优异的光电性质,在蓝绿光器件、太阳能电池等领域应用前景广阔。本文基于第一性原理,研究了不同浓度A1和Sb掺杂对ZnTe光电性能的影响,分别得到了导电类型为n型和p型的ZnTe材料,通过掺杂调控ZnTe材料的带隙及光吸收强度改善其光电性能,对于制作更高效的ZnTe基p-n结及CdTe薄膜太阳能电池背接触层具有重要理论价值。研究内容如下:1.计算了本征及不同浓度A1掺杂ZnTe的电学性质。结果表明:本征ZnTe及A1掺杂 ZnTe 浓度为 3.13%、6.25%及 12.50%的带隙分别为 1.10eV、0.91eV、0.85eV 和 0.81eV,说明随着Al掺杂浓度的增加,掺杂体系的带隙宽度在逐渐减小。此外,三种掺杂体系的费米能级均位于导带底,在导带底均出现了一条杂质能级,得到了导电类型为n型的半导体材料。而杂质能级的出现使得价带的电子可以率先跃迁至杂质能级再跃迁至导带,有效提升了电子跃迁的几率。2.计算了本征及不同浓度A1掺杂ZnTe的光学性质。结果表明:本征ZnTe及三种A1掺杂体系的吸收带边分别为2.2eV、1.8eV、1.7eV及1.6eV,说明随着掺杂浓度的增加,体系的吸收带边较本征ZnTe向低能方向发生了不同程度地红移,其吸收波长拓宽至红光波段。此外,随着掺杂浓度增加,体系在可见光区域对光的吸收加强,得到了光吸收效率更高的n型半导体,对于制作光电转换效率更高的ZnTe基p-n结具有重要理论价值。3.计算了不同浓度Sb掺杂ZnTe的电学性质。结果表明:Sb掺杂ZnTe浓度为3.13%、6.25%及12.50%的带隙宽度分别为0.89eV、0.75eV和0.64eV,相比本征ZnTe的带隙值均有减小,并且其带隙值随掺杂浓度的增加在逐渐减小,也说明Sb掺杂ZnTe是调控ZnTe带隙的一种有效手段。此外,三种掺杂体系的价带顶均出现了几条杂质能级,仍然属于p型半导体。由于杂质能级的出现及带隙宽度减小,掺杂体系的电子跃迁更加容易,这对于制作更高效的光电器件具有重要价值。4.计算了不同浓度Sb掺杂ZnTe的光学性质。结果表明:Sb掺杂浓度为3.13%、6.25%和12.50%的ZnTe吸收带边分别为1.8eV、1.5eV和1.3eV,随着Sb掺杂浓度的增加,体系的吸收带边向低能方向发生了红移,吸收波长拓宽至红光波段及更长波段,尤其是掺杂浓度为12.50%的体系吸收波长达到954nm,吸收范围拓展到近红外波段。同掺A1的体系一样,随着掺杂浓度的增加,掺Sb体系在可见光区域对光的吸收也得到加强。Sb掺杂不但有效提升了 ZnTe的光吸收能力,而且拓宽了材料的光吸收范围,得到了光吸收效率更高的p型半导体材料。该掺杂材料作为优良的CdTe薄膜太阳能电池背接触层,其更加优异的光吸收能力对于提高CdTe薄膜太阳能电池的光电转换效率意义重大。


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