بررسی خواص الکتریکی و نوری CZTS با آلائیدگی عناصر گروه پنجم جدول تناوبی: مطالعه ای بر پایه نظریه تابع چگالی

ماده چهارگانه Cu2ZnSnS4 (CZTS)، به دلیل برخورداری از عناصر سازنده غیرسمی و همچنین فراوانی آن ها روی زمین، در زمینه سلول‌های خورشیدی مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است. در این مقاله، خواص نوری و الکتریکی ساختار خالص و آلایش شده CZTS با عناصر گروه پنجم جدول تناوبی به کمک نظریه تابع چگالی و تقریب GGA بررسی شد. مقایسه نمودارهای چگالی حالات الکترون‌ها و ساختار نواری در حالت توده‌ای خالص و آلایش شده با نیتروژن و فسفر، حاکی از کاهش گاف نواری مستقیم ساختار بود. مطالعه خواص نوری نشان داد که ضریب جذب از مقدار cm-1104 × 1/7 برای ساختار خالص به مقادیر 104 × 12 و cm-1104 × 8 به‌ترتیب به ازای جایگزینی نیتروژن و فسفر با اتم گوگرد، برای فوتون‌های کم‌انرژی افزایش یافت. جانشینی اتم‌های آرسنیک، آنتیموان و بیسموت به‌جای اتم قلع با کمترین انرژی تشکیل، به دلیل تبهگنی ترازها سبب ایجاد تراز ناخالصی در گاف نواری ‌شد. برای فوتون‌های کم‌انرژی در ساختار خالص، با افزایش تعداد حالات انتقال الکترون از نوار ظرفیت به هدایت، به ضریب جذب تا مقدار متوسط cm-1 104 × 5/2 افزوده شد. درنتیجه، کاهش گاف نواری در برخی موارد و افزایش ضریب جذب برای فوتون‌های کم‌انرژی بعد از افزودن ناخالصی، سبب بهبود کارایی ساختار CZTS به‌عنوان لایه جاذب در سلول‌های خورشیدی می‌شود.