计算能带自动产生k_光伏材料的计算模拟与器件仿真

概述

光伏材料与器件是实现太阳光能直接转化为电能的一种重要途径&＃xff0c;更广泛的光电转换材料与器件则可以应用于光信号传感器等领域。基于半导体材料构造的异质结构是这类材料应用的关键&＃xff0c;一般来说影响光电转换效率的因素有&＃xff1a;材料吸光能力、电子空穴对分离效率、载流子迁移效率。使用 QuantumATK 可以方便的研究&＃xff1a;

• 半导体材料的准确带隙和光吸收
  • 包含超快的HSE06杂化泛函方法和快速的k空间采样方法&＃xff0c;可以轻松计算千原子体系
• 半导体材料的载流子有效质量和迁移率
  • 采用完整的电声耦合方法
• 半导体异质结构的能带排列
  • 采用界面模型直接计算&＃xff0c;不必考虑真空能级校正等复杂处理
• 异质结器件的光生电流和开路电压
  • 直接得到光电流谱和太阳光照下的电流密度
  • 可以直接考虑光电转换过程中的温度效应
• 构造机器学习模型&＃xff0c;快速预测复杂体系的成分与结构

应用案例

实例1&＃xff1a;二维材料的结构电子态模拟

论文作者对实验上得到的多层结构进行了模拟&＃xff0c;得到了与实验一致的结果。文中使用DFT-D2范德华力泛函&＃xff08;注&＃xff1a;QuantumATK最新版现已支持DFT-D3&＃xff09;对结构进行了优化&＃xff0c;用GGA进行了结合能的计算&＃xff0c;使用MetaGGA进行了精确带隙的计算。作为比较&＃xff0c;又使用HSE06杂化泛函的DOS计算。注&＃xff1a;新版的QuantumATK中LCAO基组已经支持HSE06杂化泛函&＃xff0c;并能够进行超快的电子态计算。

详见&＃xff1a;

• 用石墨烯包裹实现二维氮化镓&＃xff08;Nature Materials, 2016&＃xff09;
• 超快速的HSE杂化泛函计算半导体准确带隙

实例2&＃xff1a;机器学习研究钙钛矿光伏材料的稳定性和带隙

钙钛矿的成分调控让人们能够精确控制其在光伏应用所需的材料性能。然而&＃xff0c;同时解决效率、稳定性和毒性仍然是很大的挑战。混合的无铅钙钛矿和无机钙钛矿最近显示出了解决此类问题的潜力&＃xff0c;不过它们的组分空间巨大&＃xff0c;即使采用高通量方法也很难发现有希望的候选结构。此项研究通过使用由密度泛函理论生成的344个钙钛矿的新数据库&＃xff0c;使用与元素无关的通用指纹信息的机器学习方法可以快速而准确地预测关键属性。使用验证子集预测的带隙、形成能、和凸包距离分别在146 meV、15 meV/atom 和 11 meV/atom 内。得到的模型可以用于预测完全不同的化学组分空间中的趋势&＃xff0c;并进行快速的组成和结构空间采样&＃xff0c;而无需进行昂贵的从头算模拟。

详见&＃xff1a;机器学习研究钙钛矿材料的稳定性和带隙

实例3&＃xff1a;界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失

Cu2ZnSnS4&＃xff08;CZTS&＃xff09;是很有前景的薄膜光电功能材料。目前 CZTS 体系主要的问题是开路电压&＃xff08;OCV&＃xff09;很低&＃xff0c;并且原因不明。本文从另外的角度来解释 OCV 损失。研究者使用 QuantumATK 计算了 CZTS 和 CdS 之间界面处的电子态&＃xff08;能带对齐&＃xff09;情况&＃xff0c;并在界面处发现了一处很小的局域化的界面态。在进行器件级别模拟时&＃xff0c;此界面态导致了显著的 OCV 衰减&＃xff0c;本文给出的计算结果与文献中报道的目前 CZTS 光电池器件测量结果定量的吻合。

详见&＃xff1a;界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失

实例4&＃xff1a;电子输运与载流子性质

QuantumATK支持直接计算材料中的电声耦合&＃xff0c;并得到载流子的输运性质&＃xff0c;包括费米面形状、载流子有效质量、载流子迁移率、霍尔系数、热电塞贝克&＃xff08;Seebeck&＃xff09;系数等。这对评估电子材料的可用性提供了直接的标准。

详见&＃xff1a;

• 第一原理方法计算电子-声子耦合和电子迁移率
• 考虑电声耦合效应能够准确和高效的计算电阻率和迁移率的新方法

实例5&＃xff1a;半导体异质结的光生电流与温度效应

QuantumATK支持直接构造异质结模型&＃xff0c;计算在特定频率或太阳光谱照射下的光电流密度&＃xff0c;并进一步得到开路电压&＃xff1b;在此基础上&＃xff0c;可以采用QuantumATK特有的STD方法考虑温度&＃xff08;电声耦合&＃xff09;效应&＃xff0c;得到的温度对开率电压的影响与实验吻合非常好。

详见&＃xff1a;STD方法&＃xff1a;高效快速的考虑非零温度下晶格振动对电子性质的影响

实例6&＃xff1a;Janus 光电池器件

上述方法又用于一种新的堆叠 Janus 光电池器件。基于最新发现的二维材料MoSSe的超薄&＃xff08;0.5-1nm&＃xff09;器件可以产生的光电流和外量子效率&＃xff08;EQE&＃xff09;比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。

详见&＃xff1a;Janus 二维材料用于高效光电池器件&＃xff08;Nano Lett. 2018&＃xff09;

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