为进一步降低钙钛矿太阳能电池(PSCs)制备成本, 提高其稳定性, 需要可低温制备、稳定和高效的无机空穴传输层。本文利用太阳能电池模拟软件SCAPS-1D对基于CuS空穴传输层的钙钛矿电池进行电学仿真, 探讨了吸光层的厚度和缺陷态密度、界面层缺陷态密度以及空穴传输层电子亲和能对太阳能电池性能的影响。从模拟结果可知, 当钙钛矿薄膜的厚度为400 nm, 吸光层和界面的缺陷态密度小于10-16 cm-3, 且CuS的电子亲和能为3.3 eV时, 电池性能较佳。优化后的电池性能如下: 开路电压(Voc)为1.07 V, 短路电流(Jsc) 为22.72 mA/cm2, 填充因子(FF)为0.85, 光电转换效率(PCE)为20.64%。本研究为基于CuS的高效钙钛矿太阳能电池的实验制备提供了理论上的指导。

多元硫化物Cd0.5Zn0.5S和氧化亚铜Cu2O载流子迁移率较大,且其制作工艺相对于传统的电子传输层和空穴传输层更为简单,因此这两种材料在钙钛矿太阳电池中具有很好的应用潜力。本文利用SCAPS-1D软件对以Cu2O和Cd0.5Zn0.5S为传输层、以铅基卤化物钙钛矿为吸收层的太阳电池进行模拟,主要研究了该器件的材料厚度、掺杂浓度、禁带宽度等因素对太阳电池性能的影响。结果表明: 当光吸收层(CH3NH3PbI3)厚度开始增大时电池性能逐渐提高,但是增大到一定厚度时,电池性能下降,光吸收层的最佳厚度为400 nm; 当光吸收层的缺陷态密度小于1.0×1014 cm-3时,缺陷态密度对电池性能的影响比较小; 此外,铅基卤化物钙钛矿的禁带宽度对电池性能有重要影响,最佳禁带宽度为1.5 eV左右。通过模拟,得到了优化后的性能参数为: 开路电压为1.010 V,短路电流密度为31.30 mA/cm2,填充因子为80.01%,电池转换效率为25.20%。因此,Cu2O/CH3 NH3PbI3/Cd0.5Zn0.5S钙钛矿太阳电池是一种很有发展潜力的光伏器件。

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能，并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明：(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值，掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高，NZO的导带底明显降低，态密度峰值降低，且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加，NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低，且向低能区移动，其中，NZO吸收峰向低能区移动更明显，且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰，主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数，表明NZO极化能力更强，NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加，NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。

通过反应或热压烧结制备氮化硅器件过程中, 产生的晶格空位和杂质氧等缺陷会严重影响氮化硅材料的导热性能。为了探究空位和氧杂质对氮化硅材料导热性能的影响规律, 利用分子动力学模拟方法设计了多种不同缺陷状态的氮化硅模型, 分析了空位/氧杂质的比例、分布状态、晶格位置以及温度对氮化硅材料导热性能的影响。研究结果表明: 随着空位/氧杂质比例的增加以及温度的升高, 氮化硅体系的热导率都呈明显的下降趋势; 当空位/氧杂质由原本随机分布逐渐向导热通路中间聚集时, 氮化硅的热导率急剧降低; 空位/氧杂质所处不同晶格位置, 体系热导率有明显差异。另外, 通过计算氮化硅模型的声子态密度, 进一步验证了空位/氧杂质比例以及温度对体系导热性能的影响规律。研究结果为制备具有高导热性的氮化硅陶瓷提供了重要的指导。

晶体硅表面钝化是高效率晶体硅太阳能电池的核心技术，直接影响晶体硅器件的性能。本文采用第一性原理方法研究了一种超强酸-双三氟甲基磺酰亚胺(TFSI)钝化晶体硅(001)表面。研究发现，TFSI的四氧原子结构能够与Si(001)表面Si原子有效成键，吸附能达到-5.124 eV。电子局域函数研究表明，TFSI的O原子与晶体硅表面的Si的成键类型为金属键。由态密度和电荷差分密度分析可知，Si表面原子的电子向TFSI转移，从而有效降低了Si表面的电子复合中心，有利于提高晶体硅的少子寿命。Bader电荷显示，伴随着TFSI钝化晶体硅表面的Si原子，表面Si原子电荷电量减少，而TFSI中的O原子和S原子电荷电量相应增加，进一步证明了TFSI钝化Si表面后的电子转移。该工作为第一性原理方法预测有机强酸钝化晶体硅表面的钝化效果提供了数据支撑。

从氧化后退火处理、氮化处理、碳帽、钡夹层、淀积氧化物后退火处理五个方面介绍了碳化硅钝化工艺。通过改进钝化工艺可以有效降低界面态密度。针对这几种钝化工艺对SiC/SiO2界面态密度的影响进行讨论,分析几种钝化工艺的优劣,并重点介绍了氧化后退火处理和氮化处理两种钝化方法。研究发现,NO氮化工艺能有效降低界面态密度,提高界面可靠性。该工艺适用于SiC MOS器件的制造。

本文采用密度泛函理论中的赝势平面波法计算了ReB2的P63/mmc晶体结构(即hP6-ReB2)的结构特性及弹性性质。在计算了hP6-ReB2的平衡结构参数后, 从热力学、动力学及机械力学三方面验证了其结构稳定性。研究发现, hP6-ReB2在高压下的弹性系数、各个弹性模量均随压强的增加而增大。泊松比显示hP6-ReB2表现为脆性。三种类型的弹性波随压强的变化趋势显示hP6-ReB2为弹性各向异性晶体。经估算, hP6-ReB2结构的维氏硬度约为38.2 GPa。电子态密度揭示了hP6-ReB2的Re-B和B-B之间存在着强共价键, 并且随着压强的增加共价键逐渐增强。

表面等离激元是一种存在于金属(或掺杂半导体)-介质界面的电磁极化和振荡现象，可以显著增强纳米尺度光与物质的相互作用，在波导、生化传感、超快调制、探测以及非线性光学等领域具有重要应用前景。表面等离激元的激发主要采用受衍射极限限制的光学激发方式，通常需要棱镜、光栅等大尺寸光学元件的辅助，这极大限制了等离激元器件的小型化和片上高密度集成。通过将等离激元纳米结构和隧道结集成起来，低能量的隧穿电子可以直接激发该结构的等离激元模式，具有超小尺寸、超快调制速度等优点。本文将回顾基于电子隧穿效应的表面等离激元激发的研究历史，并着重介绍该领域的最新研究进展。