中文摘要


以nonmolecularity( X)和nonstoichiometry( Y)為函數結合缺陷化學理論所建立的CuInSe2的缺陷結構模型已被研究出來。根據非分子性△X和非化學計量△Y二種參數推導出缺陷濃度函數，藉由這個函數，我們可以了解主缺陷對的兩各缺陷彼此在△X與△Y的座標系中的相對位置。描繪出這個函數的圖形，可以得到CuInSe2晶體中存在的12組缺陷在座標系的函數圖形，而這12組缺陷在座標系的函數圖形將座標平面區分12個區域，每個區域都有其邊界條件以及相對應的主缺陷對。缺陷濃度是以化學計量組成的函數來導出，載子濃度在定量上的計算，使用了缺陷濃度理論模型，這個理論模型可以在特定的載子濃度下來選擇元件設計上最適合的化學計量區域。
在定量上來CuInSe2化合物半導體中摻雜的缺陷和本質缺陷中的反應。在這裡我們想要以缺陷化學理論模型來討論摻雜對缺陷濃度的影響，當摻雜的量遠小於L（單位晶格中所含原子個數）時，根據導證我們可以得知摻雜後的邊界條件與沒有摻雜時的相同，與晶體中的自我補償效應相符。
一個對異質半導體缺陷能階分析的新方法將被提及。假設缺陷濃度不大，溫度不高的情況下，增加溫度會使費米能階EF從價帶或傳導帶偏移到中間禁止能帶。因此主要載子將從缺陷能階處入射到傳導帶或(價帶)，如果溫度增加一小部份，而導致費米能階偏移 ，而主要載子增加 ，在能隙中 的最大值即是缺陷能階所在。載子傳輸最重要的參數是載子的移動率，計算CuInSe2晶體中不同的散射機制對載子移動率的影響以及分析在不同溫度下，載子移動率的變化。

Abstract

The defect structure of CuMX2 (MºIn, Ga and XºS, Se, Te) was investigated. The defect concentrations were derived as a function of nonmolecularity( X) and nonstoichiometry( Y), and the carrier concentrations were calculated quantitatively using a theoretical defect model, which could be used to select the proper region of stoichiometry for device designs with specified carrier concentrations. The compensation reaction between dopants and intrinsic defects in CuMX2, compound semiconductors is quantitatively illustrated.
If for a small increment of temperature the Fermi level EF is shifted by ΔEF and the concentration of free majority carriers is increased by Δn, then the ratioΔn /ΔEFis a measure of the defect-level concentration withinΔEF.
The electrical and optical properties of CuMX2 have been investigated using various types of electrically active intrinsic defects caused by deviations from the ideal stoichiometry of the compound. The defect complexes are formed by reactions among the impurity and native defects and/or among the native defects during crystal growth or during processing, and play a significant role in determining the characteristics and performance of devices by affecting lifetimes, degradation and breakdown etc.

目 錄

Ⅰ. 目 錄……………..………………………………Ⅰ
Ⅱ. 表格目錄……………………………………….…….Ⅱ
Ⅲ. 圖形目錄……………………………………………..Ⅲ

第 一 章 前 言…………………………………...…1
1-1. 研究CuInX2 太陽電池材料之目的………………1
1-2. CuInX2 之結構與組成……………………….…….2

第 二 章 CuMX2之缺陷化學理論…………………….4
2-1. 缺陷化學之概論…………………………….….…...5
2-2. 缺陷化學與晶格組成間之關係…………..….….….7

第 三 章 CuInSe2之缺陷結構與特性…………..…..10
3-1. 缺陷能階的種類…………………………….…….10
3-2. 化學組成與缺陷結構的關係………………….….10
3-3. 摻雜對缺陷結構的影響……………………….….13
3-4. 缺陷結構對光電特性的影響………………….….14
3-4-1. 改變晶體的導電率……………………….….14
3-4-2. 改變光感應靈敏度…………………..…...15
3-4-3. 改變元件的反應速率…………………...…...15
3-4-4. 增加元件的吸收光譜…………………..….…16
3-5. 缺陷能階在能隙中的位置與大小…………..…….16
3-5-1載子濃度對溫度的變化……………………...16
3-5-2材料中各種受激發光能階的出現………..….16
3-5-3載子濃度對費米能階的變化……………..….17
3-6. 載子移動率與缺陷結構的關係………………..….20
第 四 章 CuInSe2之缺陷計算模型……………..…..24
4-1. 缺陷濃度的計算……………………………….….24
4-1-1 二元缺陷的計算………..……………..….…25
4-1-2 三元缺陷的計算……………………....….…31
4-1-3 四元缺陷的計算…………………….…….…36
4-2. 摻雜對缺陷濃度的計算的影響…….…….……....38
4-3. 缺陷特性的計算………………………….……….43
4-3-1. 缺陷能階的計算…………………...…….…43
4-3-2. 載子移動率的計算………...………….……44
4-4. 實驗驗證……………………………..……..…44
第 五 章 結 論…………………………………….51

參考文獻…………………………………….……….….53


圖 形 目 錄


圖一 黃銅礦結構……………………………………….………….64
圖二 CuInSe2之擬二元（Cu2Se－In2Se3）相圖….………..….65
圖三 CuInS2擬二元（Cu2S－In2S3）相圖……….……………..66
圖四 晶體結構考量來對CuInSe2三元化合物相圖之推導……..67
圖五 典型的CuInSe2太陽電池結構為ZnO/CdZnS/ CuInSe2...68
圖六 缺陷能階能帶圖…………………………………………...…69
圖七 Cu－In－Se的三相圖..……………………………………...70
圖八 各種缺陷在座標平面（△X和△Y）的相關位置圖……....71
圖九 在X1=1013cm-3，EC-E1=0.2eV，g1=1；-kTdn/dEF(cm-3) 相
對於EC-E1的函數圖形….…………………………………..72
圖十 在X1=1013cm-3，EC-E2=0.4eV，g1=1；-kTdn/dEF(cm-3) 相
對於EC-E2的函數圖形……….……………………………..72
圖十一 對於sample a 實際值與理論值之圖形…………...73
圖十二 對於sample CIEn-1 實際值與理論值之圖形……….…..73

圖十三 在不同的組成比之下，p-type CuInSe2的晶格的光譜圖（1）
（PL spectrum）………………….……………………….…74
圖十四 在不同的組成比之下，p-type CuInSe2的晶格的光譜圖（2）
（PL spectrum）………………….……………………….…75
圖十五 在不同的組成比之下，p-type CuInSe2的晶格的光譜圖（3）
（PL spectrum）………………….……………………….…76
圖十六 在不同的組成比之下，p-type CuInSe2的晶格的光譜圖（4）
（PL spectrum）………………….……………………….…77














表 格 目 錄

表一 CuInX2的結構與物理的特性………………………………..55
表二 CuInSe2薄膜中可能缺陷的 formation energy 和 electrical
activity………………………………………………………...55
表三 Cu+1In+3Se-2內部反應以及各氣相間原子團反應的定則..…56
表四 主要主動電性的本質缺陷與CuInSe2三元化合物的非分子
性（nonmolecularity）以及非化學計量性（nonstoichiometry）
之間的關係…………..……………………………………….57
表五 n-type 電子移動率參數表…………………………………..58
表六 p-type 電子移動率參數表…………………………………..58
表七 由ΔX與ΔY所推導之缺陷濃度……………………………59
表八 十二個區間所有可能影響的缺陷組合…………………...…60
表九 電腦計算流程圖…………………………….………………..61
表十 電腦計算流程圖……………………………………………...62
表十一 在CuInSe2中本質缺陷的PL光譜圖中峰值能量（eV）以
及費米能階（EF）……………………………………………63

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