In2Se3, In2Te3, and In2(Se,Te)3 Alloys as Photovoltaic Materials

带隙 材料科学 太阳能电池 半导体 直接和间接带隙 光电子学 薄膜 凝聚态物理 纳米技术 物理
作者
Wei Li,Xuefen Cai,Nicholas Valdes,Tianshi Wang,W. N. Shafarman,Su‐Huai Wei,Anderson Janotti
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (51): 12026-12031 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.2c02975
摘要

In its lowest-energy three-dimensional (3D) hexagonal crystal structure (γ phase), In2Se3 has a direct band gap of ∼1.8 eV and displays high absorption coefficient, making it a promising semiconductor material for optoelectronics. Incorporation of Te allows for tuning the band gap, adding flexibility to device design and extending the application range. Here we report results of hybrid density functional theory calculations to assess the electronic and optical properties of γ-In2Se3, γ-In2Te3, and γ-In2(Se1-xTex)3 alloys, and initial experiments on the growth and characterization of γ-In2Se3 thin films. The predicted band gap of 1.84 eV for γ-In2Se3 is in good agreement with the absorption onset derived from transmission and reflection spectra of thin films. We show that incorporation of Te gives γ-In2(Se1-xTex)3 alloys with a band gap ranging from 1.84 eV down to 1.23 eV, thus covering the optimal band gap range for single-junction solar cells. In addition, the γ-In2Se3/γ-In2(Se1-xTex)3 bilayer could be employed in tandem solar-cell architectures absorbing at Eg ≈ 1.8 eV and at Eg ≤ 1.4 eV, toward overcoming the ∼33% efficiency set by the Shockley-Queisser limit for single junction solar cells. We also discuss band gap bowing and mixing enthalpies, aiming at adding γ-In2Se3, γ-In2Te3, and γ-In2(Se1-xTex)3 alloys to the available toolbox of materials for solar cells and other optoelectronic applications.
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