硒化锑空穴迁移率的第一性原理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0243

摘要/Abstract

摘要： 硒化锑（Sb₂Se₃）以原料丰富、无毒、稳定等优势，成为一种前景广阔的薄膜光伏材料。尽管Sb₂Se₃光电转换效率已取得长足进步，但其背后的载流子输运机理，尤其是限制空穴迁移率的关键散射机制仍不清晰。针对此问题，本研究采用第一性原理密度泛函理论（DFT）结合玻尔兹曼输运理论，量化分析了声学形变势（ADP）散射、电离杂质（IMP）散射及极性光学声子（POP）散射对空穴迁移率的贡献，计算得到的室温空穴迁移率为42.8 cm²·V^-1·s^-1。研究发现，在105~650 K温度区间，极性光学声子散射是限制Sb₂Se₃空穴迁移率的主导机制；迁移率沿三个主要晶向（x， y， z）表现出明显的各向异性，y轴方向上迁移率最高，z轴方向上迁移率最低。同时发现：低载流子浓度下，空穴迁移率随着载流子浓度增加基本不变；高载流子浓度下，空穴迁移率随着载流子浓度增加而降低。该研究阐明了Sb₂Se₃空穴迁移率的影响因素，为其性能优化提供了一定理论依据。

关键词: 硒化锑; 太阳电池; 散射机制; 空穴迁移率; 第一性原理; 密度泛函理论; 玻尔兹曼输运理论

Abstract: Antimony selenide （Sb₂Se₃） is a promising photovoltaic thin-film material， owing to its abundant reserves， non-toxicity， and good stability. Despite substantial advances in its power conversion efficiency， the underlying carrier transport mechanism—particularly the key scattering processes that limit the hole mobility—remains unclear. To address this， first-principles density functional theory （DFT） combined with Boltzmann transport theory was used to quantitatively evaluate the contributions of acoustic deformation potential （ADP）， ionized impurity （IMP）， and polar optical phonon （POP） scattering to Sb₂Se₃ hole mobility. The calculated room-temperature hole mobility is 42.8 cm²·V^-1·s^-1. The results show that POP scattering dominated the limitation of hole mobility over a temperature range of 105~650 K. The mobility exhibits distinct anisotropy along the three principal crystallographic directions （x， y and z）， with the highest mobility in the y-axis direction and the lowest in the z-axis direction. It is also found that at low carrier concentrations， the hole mobility remains essentially unchanged as carrier concentration increases； at high carrier concentrations， the hole mobility decreases as carrier concentration increases. This work clarifies the dominant factors restricting the hole mobility of Sb₂Se₃ and offers a theoretical foundation for further performance optimization.

Key words: Sb₂Se₃; solar cell; scattering mechanism; hole mobility; first principle; density functional theory; Boltzmann transport theory

中图分类号:

O469

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图/表 7

图1 Sb2Se3的晶胞结构图

Fig.1 Structure of primitive cell in antimony selenide

表1 结构优化后Sb2Se3的晶格参数（a，b，c）和体积（V）

Table 1 Optimized lattice parameters （a， b， c） and volume （V） of Sb2Se3

Material	Lattice constant
Material	a/Å	b/Å	c/Å	V/Å³
Reference ［16］	3.977	11.643	11.788	545.83
Reference ［17］	3.833	11.189	11.291	484.24
This work	3.99	11.35	11.67	527.17

图2 使用PBE泛函计算的Sb2Se3的能带结构（a）和分态密度曲线（b）

Fig.2 Band structure （a） and projected density of states （PDOS）（b） of Sb2Se3 obtained using the PBE functional

表2 Sb2Se3的弹性常数（C）和形变势（DA）计算值

Table 2 Calculated elastic constants （C） and deformation potentials （DA） for Sb2Se3

Material	C/GPa			D_A/eV
Material	a	b	c	a	b	c
Reference ［22］	81.65	55.20	30.9	0.53	2.86	2.47
This work	80.97	59.72	37.17	0.47	2.38	2.28

图3 三种散射机制导致的各分支迁移率（a）及总迁移率（b）随温度的变化曲线

Fig.3 Variation curves of the mobility of each branch （a） and the total mobility （b） with temperature， resulting from three scattering mechanisms

表3 Sb2Se3的POP散射参数与文献数据进行比较

Table 3 Comparison of POP scattering parameters for Sb2Se3 with literature data

Material	ε_∞				ε_s				ω_po/THz
Material	a	b	c	Average	a	b	c	Average	ω_po/THz
Reference ［25］	15.11	14.92	10.53	13.52	85.64	128.18	15.00	76.27	2.57
This work	24.61	25.85	15.56	22.01	94.29	135.91	20.80	83.67	2.98

图4 综合考虑ADP、IMP与POP散射时不同浓度Sb2Se3的空穴迁移率随温度变化关系（a），以及Sb2Se3沿x、y和z方向的空穴迁移率随温度变化关系（b）

Fig.4 Incorporating ADP， IMP， and POP scattering mechanisms， temperature-dependent hole mobility of Sb2Se3 at various concentrations （a）， and temperature-dependent hole mobility of Sb2Se3 along the x-， y-， and z-directions （b）

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