过渡金属超饱和掺杂硅材料亚带隙结构的性质及其调控

Supersaturating deep-level dopants in silicon can change the electronic structures of silicon and is expected to form intermediate-band (IB) in silicon bandgap, and then it could overcome the Shockley-Queisser limit and increase the photoelectric transformation efficiency. It still needs further research that whether the supersaturated silicon can become an appropriate IB photovoltaic material. In this research program, we will study the doping configurations, sub-bandgap structures, optical absorptions, and other physical characteristics systematically through DFT-based first-principles calculations. We will analyze the possible configurations of the deep-level dopants in silicon and the variations of the configurations and distributions of the dopant atoms after thermal annealing through the formation energy calculations and molecular dynamics simulation. We will explore the change rules of properties of the material along with doped conditions by studying the effects of dopant types, concentrations, configurations, distributions, and temperatures on the sub-bandgap structures and optical absorptions, and we attempt to regulate the sub-bandgap structures of the material by controlling the doping conditions. We attempt to establish the sub-bandgap structure regulation mechanism of the silicon-based IB photovoltaic material and propose the optimization schemes for its photoelectricity property, which can provide theoretical basis and guidance for the preparation of the high-efficiency silicon-based photovoltaic device.

对晶体硅进行深能级元素的超饱和掺杂能够改变硅的电子结构,有望在硅带隙中形成中间带而克服Shockley-Queisser限制、提高材料的光电转换效率。然而，超饱和掺杂硅能否成为合适的中间带光伏材料，则需要对其亚带隙结构进行深入的研究和探讨。本项目拟采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统研究过渡金属超饱和掺杂硅的掺杂原子构型、亚带隙结构、光吸收性质、及相关物理特性。通过形成能的计算和分子动力学模拟，分析深能级杂质在硅中可能的存在状态，以及在退火后掺杂原子构型及其在硅中分布的变化。通过研究掺杂原子种类、浓度、构型、分布、以及环境温度等掺杂条件对超饱和掺杂硅材料亚带隙结构及其光吸收性质的影响，探索材料性质随掺杂条件的变化规律，并通过控制掺杂条件实现对材料亚带隙结构的调控。期望建立硅基中间带光伏材料亚带隙结构的调控机制，提出对其光电性能的优化方案，为高效硅基光伏器件的制备提供理论依据和指导。

近年来，中间带光伏材料的概念引起人们的广泛兴趣，这是因为中间带光伏材料有望克服Shockley-Queisser限制，大大提高光伏电池的光电转换效率。晶体硅作为光伏领域的主流材料，因其生产成本较低、生长技术成熟而被国内外研究者广泛关注。能否制备出高效的硅基中间带光伏材料成为近年来的一大研究热点。目前，硅基中间带光伏材料的制备主要通过深能级元素的超饱和掺杂实现。基于以上现状，本项目通过第一性原理计算，研究超饱和掺杂硅的亚带隙结构及光学性质并对其进行调控。通过拉曼光谱的计算，探索材料中掺杂元素可能存在的构型，并解释材料独特光学性质的物理机理，为材料光电性质的优化提供理论指导。在对Au超饱和掺杂硅的研究发现，Au在硅中的替代位构型最为稳定，能够在带隙中引入中间带并产生较强的亚带隙吸收。另外，亚带隙吸收随着Au浓度的增加而增强，但当浓度过高时，该材料不再适合作为中间带材料。在研究Au的非均匀掺杂时发现，当替代位的Au原子距离较大，即掺杂较为均匀时，在带隙中形成两条相互重叠的杂质带，且亚带隙吸收较强。当Au原子相互靠近，杂质带逐渐变宽并且向价带顶和导带底靠近，亚带隙吸收减小。该研究表明Au原子的均匀分布将对材料的亚带隙吸收和光谱响应较为有利。在N超饱和掺杂硅的拉曼光谱及光学性质的计算研究中，通过与相关实验数据进行对比，能够推测材料中掺杂原子可能存在的构型，并能够解释不同制备条件下材料拉曼谱和光吸收性质的差异。该研究方法使我们能够对硅的超饱和掺杂模型进行更为合理的构建、对其光电性质进行更为准确的预测。最后，本项目对重掺杂金刚石的电子结构及光学性质进行了初步探索，为我们下一步研究奠定基础。