[논문 리뷰] Antisite traps and metastable defects in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells studied by screened-exchange hybrid density functional theory

Johan Pohl, Thomas Unold외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 11.

Chemical and Physical Properties of Materials참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 선별된 교환 하이브리드 밀도함수이론(HSE06)을 사용하여 Cu_{In,Ga}^0 반위치 결함이 CuInSe2 및 CuGaSe2에서 실험적으로 관측된 N2 수준(0.15–0.35 eV)의 정공 함정으로서 기여함을 규명한다. 반면, Ga_{Cu} 반위치 결함과 구리 공백과의 복합체는 갈륨 농도가 높은 흡수체에서 개방회로 전압과 효율을 제한하는 전자 함정을 형성하며, 이들의 비정상적 거동는 Ga_{Cu}의 경우에만 1.16 eV의 갭 핀딩 수준로 인해 가능하다.

ABSTRACT

Electronic structure calculations within screened-exchange hybrid density functional theory show that Cu(In,Ga) antisites in both CuInSe2 and CuGaSe2 are localized hole traps, which can be attributed to the experimentally observed N2 level. In contrast, GaCu antisites and their defect complexes with copper vacancies exhibit an electron trap level, which can limit the open-circuit voltage and efficiency in Ga-rich Cu(In,Ga)Se2 alloys. Low-temperature photoluminescence measurements in CuGaSe2 thin-film solar cells show a free-to-bound transition at an energy of 1.48 eV, in very good agreement with the calculated transition energy for the GaCu antisite. Since the intrinsic DX center does not exhibit a pinning level within the band gap of CuInSe2, metastable DX behaviour can only be expected for GaCu antisites.

연구 동기 및 목표

• Cu(In,Ga)Se2 박막 태양전지에서 관측된 N2 결함 수준의 원자적 기원을 규명하는 것.
• CIGS 흡수체에서의 비정상적 거동의 원인으로 반위치 결함인지 또는 내재된 DX 중심인지 판단하는 것.
• 갈륨 농도가 높은 CIGS 장치에서 구리 공백과의 복합체를 형성하는 Ga_{Cu} 반위치 결함이 개방회로 전압을 제한하는 역할을 하는지 평가하는 것.
• 더 정확한 선별된 교환 하이브리드 기능을 적용하여 이전의 LDA 기반 결함 모델의 타당성을 평가하는 것.

제안 방법

• 전자 구조 계산는 밴드 갭과 결함 수준의 정확도를 향상시키기 위해 0.13 Å⁻¹의 적응형 교환 스크리닝 파라미터를 사용한 HSE06 하이브리드 기능을 사용하여 수행되었다.
• 계산는 350 eV 평면파 커팅과 0.25의 정확한 교환 비율을 갖는 VASP에 구현되었으며, 국소화된 Cu d 전자와 밴드 갭을 정확하게 기술할 수 있도록 하였다.
• 열역학적 안정성과 결함 거동를 평가하기 위해 관련된 페르미 에너지 범위에서 결함 형성 에너지와 전하 전이 수준을 계산하였다.
• 15 K에서의 저온 광발광 측정을 통해 계산된 광학 전이 에너지를 검증하였으며, 특히 Ga_{Cu}+h⁺ → Ga_{Cu}²⁺의 전이 에너지 1.48 eV에 대해 검증하였다.
• 비정상적 거동의 기준으로서 밴드 갭 내 DX 핀딩 수준의 존재 여부를 평가하였으며, In_{Cu}와 Ga_{Cu} 반위치 결함을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CuInSe2 및 CuGaSe2에서 실험적으로 관측된 N2 결함 수준의 원자적 기원은 무엇인가?
• RQ2 Ga_{Cu} 반위치 결함과 그 구리 공백과의 복합체는 갈륨 농도가 높은 CIGS 흡수체에서 개방회로 전압을 제한하는 전자 함정으로 작용하는가?
• RQ3 비정상적 거동, 예를 들어 페르미 수준 핀딩이 CIGS 내부의 내재된 DX 중심에서 기인할 수 있으며, 만약 그렇다면 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ4 HSE06와 이전의 LDA 기반 방법을 사용했을 때, 반위치 결함의 결함 수준과 형성 에너지가 CuInSe2와 CuGaSe2 간에 어떻게 다를까?

주요 결과

• Cu_{In,Ga}^0 반위치 결함은 0.15–0.35 eV의 결함 수준을 가지며, 이는 CuInSe2 및 CuGaSe2에서 실험적으로 관측된 N2 수준과 직접적으로 연결된 국소화된 정공 함정이다.
• Ga_{Cu} 반위치 결함과 그 구리 공백과의 복합체는 CuGaSe2의 밴드 갭 내에 국소화된 전자 함정 수준을 형성하며, 이는 개방회로 전압과 장치 효율을 제한할 수 있다.
• Ga_{Cu}+h⁺ → Ga_{Cu}²⁺의 계산된 광발광 전이 에너지는 1.44 eV이며, 이는 CuGaSe2 박막 태양전지에서 측정된 자유-결합 전이 에너지 1.48 eV와 뛰어난 일치를 보인다.
• 비정상적 DX 거동에 대한 페르미 수준 핀딩 수준은 오직 CuGaSe2에서의 Ga_{Cu} 반위치 결함에만 존재하며, 이는 1.16 eV이다. 반면, CuInSe2에서의 In_{Cu} 반위치 결함는 1.31 eV로 도체 밴드를 초과하여 핀딩이 발생하지 않는다.
• HSE06 기능은 LDA+U에 비해 In_{Cu}^{2+}의 형성 에너지를 0.4 eV 낮추고, In_{DX}의 형성 에너지를 0.32 eV 높게 계산하여 CuInSe2에서의 핀딩 부재를 설명한다.
• V_{Se}-V_{Cu} 결함 복합체는 관련된 페르미 수준에서 형성 에너지가 2 eV 이상이므로, 평형 조건 이외에서만 형성 가능하며, 따라서 비정상적 현상에서의 역할은 제한된다.