Första principberäkning
Datorsimuleringar påskyndar materialinnovation genom att förutsäga de strukturella signaturerna, optoelektroniska egenskaperna, termodynamiska stabiliteten och punktdefektkemin hos både etablerade och framväxande solenergimaterial.
Förstaprincipberäkningar inom ramen för täthetsfunktionalteori (DFT) spelar en allt viktigare roll inom avancerad solenergiforskning. Genom att utnyttja grundläggande kvantmekaniska principer möjliggör DFT atomskalemodellering av funktionella material, vilket ger en oöverträffad inblick i komplexa system. Vid avdelningen för solcellsteknologi används dessa beräkningar för närvarande för flera viktiga ändamål, som beskrivs nedan.
Kontakt: Kostiantyn V. Sopiha
Simulering av strukturella signaturer
Simluering av strukturella signaturer för föreningar används i såsom röntgen/neutrondiffraktionsmönster, ramanspridning och optiska absorptionsspektra.
Dessa simuleringsresultat fungerar som en praktisk referens för experimentella mätningar för att identifiera alla komponenter som bildas vid olika steg och förhållanden i solcellsbearbetningen.
Till exempel används dessa funktioner i vår undersökning:
- J. K. Larsen et al., Experimental and theoretical study of stable and metastable phases in sputtered CuInS2 Adv. Sci., 2022, 9(23), 2200848.
Beräkning av elektroniska egenskaper
Beräkning av elektroniska egenskaper såsom bandstrukturer, tillståndsdensiteter och bandförskjutningar vid heterogena gränssnitt i solcellsstackar.
Dessa egenskaper bidrar till upptäckten av nya solabsorbenter och buffertskiktsmaterial för den mest effektiva fotogenerering och insamling av laddningsbärare.
Ett bra exempel på detta är vår studie som du kan läsa här:
- Keller et al., “Wide-gap (Ag,Cu)(In,Ga)Se2 solar cells with different buffer materials – a path to a better heterojunction”, Prog. Photovolt.: Res. Appl., 2020, 28, 237–250.
Analys av stabilitet och fasomvandlinga
Utifrån bildningen kan stabila (och därmed genomförbara) nya solcellsmaterial identifieras och degradering av enheten på grund av fasseparation under tillverkning, drift och/eller lagring elimineras i förebyggande syfte. Fasjämvikter som härleds från första princip beräkningarna indikerar också nya vägar och optimala förhållanden för solcellsdeponering.
Till exempel har termodynamisk stabilitetsanalys:
- V. Sopiha et al., Thermodynamic stability, phase separation and Ag grading in (Ag,Cu)(In,Ga)Se2 solar absorbers”, J. Mater. Chem. A, 2020, 8(17), 8740-8751.
- V. Sopiha et al., “Off-stoichiometry in I-III-VI2 chalcopyrite absorbers: a comparative analysis of structures and stabilities”, Faraday Discuss., 2022, 239, 357-374.
Kartläggning av punktdefektkemi
Punktdefekter kan vara inneboende (vakanser, substitutionella och interstitiella defekter) och yttre (dopämnen och föroreningar). Dessa arter samverkar och kompenserar ofta på komplexa och sofistikerade sätt, vilket helt förändrar halvledarnas optoelektroniska egenskaper och transportegenskaper.
Första princip beräkningar är användbara för att bestämma koncentrationen och effekten av varje defektart, samt tendenserna för defektbindning och kompensation, vilket hjälper till att uppnå önskade materialegenskaper.
Aktuella exempel på våra studier av punktdefekter hittar du här:
- Aboulfadl et al., Alkali dispersion in (Ag,Cu)(In,Ga)Se2 thin film solar cells – insight from theory and experiment, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13(6), 7188-7199.
- Grini et al., “Strong interplay between sodium and oxygen in kesterite absorbers: complex formation, incorporation, and tailoring depth distributions”, Adv. Energy Mater., 2019, 1900740.