(Cu, Alk)InSe2 (Alk = Li, Na, K, Rb) -yhdisteen mallinnus metalliseosteorian ja elektronirakennelaskujen avulla

The energy conversion efficiency of CIGS thin-film solar cells have been measured to increase when alkali metals are added as impurities. This work contributes to the atomic level understanding of the structural changes that the added impurities cause. (Cu, Alk)InSe2 chalcopyrite structures with lithium, sodium, potassium or rubidium alkali metal impurities are numerically modeled by utilizing ab-initio structural energy calculations and the cluster expansion formalism. Phase boundary diagrams are solved from the cluster expansion by using the Monte Carlo simulation. The resulting phase diagrams show that Rb and K impurities form secondary phases to the structure whereas Na and Li impurities stay in the mixed phase. This agrees with earlier results showing that lighter and heavier alkali atoms have different effects on the structure. It supports the suggestion to use the both impurity types simultaneously for the best efficiency improvement.CIGS-tyyppisten ohutkalvoaurinkokennojen hyötysuhteen on mitattu kasvavan, kun alkalimetalleja on lisätty epäpuhtauksina rakenteeseen. Tämä tutkimus tukee osaltaan epäpuhtauksien aiheuttamien aineen rakenteellisten muutosten ymmärtämistä atomitasolla. Työssä mallinnetaan numeerisesti (Cu, Alk)InSe2-muotoista yhdistettä kuparikiisu- eli kalkopyriittirakenteessa hyödyntäen elektronirakennelaskuja sekä klusterikehitelmämenetelmää. Vaihtoehtoisina alkalimetalliepäpuhtauksina tutkitaan litiumia, natriumia, kaliumia ja rubidiumia. Muodostetun klusterikehitelmän perusteella lasketaan kunkin yhdistevariantin faasirajat käyttäen Monte Carlo -simulaatiota. Tulokset osoittavat että Rb- ja K-epäpuhtaudet muodostavat rakenteeseen lisäfaaseja, kun taas Na- ja Liepäpuhtaudet sekoittuvat samaan faasiin. Tämä havainto on yhdenmukainen aiemman julkaisun kanssa, jossa on havaittu pieni- ja suurikokoisilla alkalimetalliatomeilla olevan erilainen vaikutus tutkittuun rakenteeseen. Tehdyn tutkimuksen tulokset tukevat ehdotusta kummankin alkaliepäpuhtaustyypin käyttämisestä samaan aikaan parhaan hyötysuhteen saavuttamiseksi