First-Principles Investigation on the Structural and Electronic Properties of Cu2Zn1–xInxSnS4 Alloys

带隙 色散(光学) 材料科学 声子 电子结构 直接和间接带隙 Crystal(编程语言) 原子轨道 凝聚态物理 光电子学 物理 光学 电子 量子力学 计算机科学 程序设计语言
作者
Suyun Zhang,Pengcheng Deng,Qingyuan Chen,Hai Yang,Qingzhen Yang,Haoning Li,Yi-Fen Zhao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (36): 15132-15140
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c01502
摘要

Cu2ZnSnS4 has attracted significant attention as a promising material for solar cells. However, to the best of our knowledge, the research on utilizing indium reagent for modification remains largely unexplored to date. In this study, first-principles calculations were utilized to systematically investigate the structural and electronic properties of Cu2Zn1–xInxSnS4 (x = 0, 1/8, 1/2, and 1). Our calculations, based on the formation enthalpies, indicate that the crystal structures of Cu2Zn1–xInxSnS4 remain stable upon indium varying concentrations. Furthermore, phonon dispersion analysis shows that increasing indium content shifts the phonon dispersion curves of Cu2Zn1–xInxSnS4 toward imaginary frequencies. In addition, the calculations reveal that the band gap can be effectively tuned. With increasing indium concentrations, the band gap of Cu2ZnSnS4 becomes narrow. Notably, for Cu2Zn1–xInxSnS4 (x = 0, 1/8, and 1/2), all exhibit direct band gaps. The density of states analysis indicates that indium mainly occupies the d-orbitals. These results demonstrate that indium has a substantial impact on the electronic properties. Our findings could be very useful for synthetics of these materials.

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