1、 毕业设计（论文）Cu 纳米线的拉伸行为研究学 生 姓 名 XXX 学 号 XXXXXX 专 业 班 级 焊接技术与工程 指 导 教 师 XXX 提 交 日 期 材料科学与工程学院摘 要硅材料是目前太阳能电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占了将近 40%，商用光伏产品中的晶体硅太阳电池转换效率多在 10左右。受材料及制备工艺的影响，晶体硅电池已经很难再提高转换效率或降低成本。从商业产品发展的角度考虑，低成本、高效率、大面积的薄膜太阳电池的开发工作才有实际意义，因此人们把目光投向了这种新型的太阳电池。薄膜太阳电池只需几微米厚就能实现光电转换，是降低成本及提高光子循环的理想材料，例如
2、非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和 CdTe.等半导体薄膜材料。其中 C1GS 薄膜因其独特的优异性能而被称为最有希望的光伏器件，而铟硒铜(CuInSe2，简称 CIS)是最重要的多元化合物半导体光伏材料，光电转换效率高、性能稳定不会发生光诱导衰变，价格也低于传统的晶体硅模件，因而成为各国的研究热点之一。本文首先回顾了薄膜太阳能电池的研究历史和现状，并简要介绍了计算机模拟方法的理论基础。利用计算机模拟中的分子动力学模拟的方法，本论文的主要目的：（1）：了解薄膜太阳能电池的国内外研究背景及现状；（2）：课题主要目地在于运用分子动力学原子模拟对 Cu 纳米线拉
3、伸的行为进行研究；（3）：模拟并统计工艺参数（重点是拉力，温度）对 Cu 纳米线的影响。因此，我们的工作对于探索和促进CIS薄膜的研究和发展具有重要意义和参考价值。 关键词：Cu 纳米线，拉伸，分子动力学原子模拟AbstractSilicon solar cell is currently the dominant material, in the finished cost of solar cells share, silicon material accounted for nearly 40%, commercial photovoltaic products in the cryst
4、al silicon solar cell conversion efficiency in 10%.Influenced by material and effect of preparation technique, crystal silicon solar cells have been very difficult to improve the conversion efficiency and reduce the cost.From a commercial product development point of view, low cost, high efficiency,
5、 large area thin film solar cell development work has actual meaning, so people pay more attention to this new type of solar cell.Thin film solar battery of only a few microns thick can achieve photoelectric conversion, is reducing the cost and improving the photon recycling is an ideal material, su
6、ch as amorphous silicon, CuInSe2 (CIS), CuInGaSe2 (CIGS), and CdTe semiconductor film materials.The C1GS film because of its unique excellent performance and is known as the most hopeful photovoltaic devices, and indium selenium copper (CuInSe2, CIS) is the most important compound semiconductor PV m
7、aterial, high photoelectric conversion efficiency, stable performance of light induced decay does not occur, the price is lower than the traditional crystalline silicon module, thus become a hotspot in the research of.This article first reviewed the film solar cell research history and status quo, a
8、nd briefly introduces the basic theory of computer simulation method.Using computer simulations in molecular dynamics simulation method, the main purpose of this paper:(1): understanding the film solar cell research background and current situation at home and abroad;(2): the main purpose of using m
9、olecular dynamics simulation on atomic Cu nanowires tensile behavior of;(3): simulation and statistical parameters (focus on tension, temperature) on Cu nanometer lines effect.Therefore, we work to explore and promote CIS film research and development has important significance and reference value.K
10、ey words: Cu nanowires, tensile, molecular dynamics simulation of atomic目 录摘要IAbstract 第一章 文献综述.11.1 研究背景、现状与意义. 11.2 课题的研究目的及研究内容41.2.1 研究目的41.2.2 研究内容5第二章 分子动力学简介与 GULP 软件.62.1 计算材料科学.62.2 原子模拟与分子动力学简介.72.3 分子动力学（Molecular Dynamics, 简称 MD）方法 .82.3.1 引言.82.3.2 分子动力学模拟方法基本原理92.4 分子动力学基础知识 132.4.1 基本
11、理论.132.4.2 分子动力学基本假设.142.4.3 分子动力学模拟的程序组成及边界条件.152.4.4 原子间相互作用势182.5 分子动力学在材料科学中的应用192.5.1 分子动力学的的适用范围.192.5.2 分子动力学的应用.202.5.3 分子动力学的最新发展.222.6 Gulp 软件在分子动力学模拟中的应用23第三章 结论及分析.253.1 拉力.253.2 温度. 3.3 时间.参考文献 .37外文翻译 .39致 谢 .47第一章 文献综述1.1 研究背景、现状与意义能源和环境是人类社会必须面对的两大基本问题,日本经济产业省发表的预测,随着中国汽车的普及,2010 年到
12、2020 年间,中国的石油进口量将达到与日本同等规模,能源供应将成为中国能否持续稳定发展的关键因素.所以利用太阳能是同时解决能源与环境这两个问题的最佳选择.结合于我国现状,薄膜太阳能的研发更是具有前景的科学项目.随着煤，石油，天然气等能源日益枯竭和环境污染日益加剧，人们迫切需要寻找清洁可再生新能源。作为地球无限可再生的无污染能源太阳能的应用日益引起人们的关注，将太阳能转化为电能的太阳能电池的研制得到了迅速的发展。目前以商品化的晶体硅太阳能电池的光电转化效率最高。但受材料纯度和制备工艺限制，成本高，很难再提高转化效率或降底成本。薄膜太阳能电池只需几微米的厚度就能实现光电转换，是降低成本和提高光子
13、循环的理想材料。所以太阳能转换材料的研究和开发的意义十分重大。目前一种既具有高的光电转换效率，又具有比较低的制作成本，而且非常有希望在未来 10 年能获得较大规模应用，无论从理论计算还是从已经取得的实际研究结果的确可以使人有理由相信这一点。这种电池就是一铜铟镓硒(CIGS)为太阳光吸收层的搞笑薄膜太阳能电池，简称为铜铟镓硒电池火 CIGS 电池。其典型的结构为：Glass/Mo/CIGS/ZnS/ZnO/ZAO/MgF2.CIGS 组成可表示成 Cu(In-xGax)Se2 的形式，具有黄铜矿相结构，是 CuInSe2和 CuGaSe2 的混合半导体。CIGS 薄膜太阳能具有优良的特性，一些技
14、术发达的国家对 CIGS 薄膜太阳能能电池非常的重视，投入巨资进行研究和开发，尤其日本，美国，德国研究水平已经处于世界领先，已经接近和达到可以实际生产。而且其性能和品质在不断的提高。2002 年全世界太阳电池的生产量比上一年增加 31%，达到 520M W，日本企业的生产规模在大幅度增加，（表 1）到 2002 年日本的生产规模达到了 254M W，已经占到 III 界产量的 50%。近 5 年中产量每年以 5017,以)的增幅增加，按照这种增速，今后 5 年，日本的太阳电池的产量将占到世界总产量的 70-80%，居于绝对的领先地位。根据日本太阳光发电协会(JPEA )的调查，2001 年的日
15、本国内太阳电池市场规模约为 1100 亿日元、随着太阳电池产业的急速成长，JPEA 制订了太阳光发电的产业蓝图(Vision )“，要把太阳光发电产业培育成一个 1 万亿日元 (100 亿美元左右)的产业。到 2030 年，仅在日本，太阳电池的年产量也将达到 1000 万 kW。如果是现有的单晶、多晶、微晶 Si 太阳电池的话，消耗的 Si 的总量将达到 10 万吨，是现在各种用途合计使用的 Si 的总生产量的 25 倍。这无论从原料供应和生产成本上都是不可能的。表一：世界各国太阳电池生产量日本美国欧洲2000 年（MW）128674.9760.662001 年（MW）171.22105.18
16、6.222002 年（MW）254.50112.90112.06其它地区 23.42 31.60 40.70总计 287.65 394.14 520.15日本企业的生产规模在 2002 年已经达到了 254MW，已经占世界产量的 50%，居于绝对的领先地位。2002 年有关 CIGS 太阳能电池的国际会议就有三个，分别是 5月 20-24 日在美国纽奥林斯召开的 29thIEEE/PVSC，11 月 21-22 日在欧洲举行的 E-MRS 2002 和 12 月 2-5 日在美国波士顿召开的 2002 MRS Fall Meeting.现在学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代
17、。第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅，非晶硅等低成本太阳能电池，第三代太阳能电池是高效，低成本，可大规模工业生产的铜镓硒等化合物薄膜太阳能电池及薄膜 SI 系太阳电池，其制造成本在近期可以达到低于 75 日元/W 的水平。日本和欧美在 CIGS 的研究方面投入大量人力和物力，并取得相当快的发展。与国际上研究开发的力度和规模相比较，国内太阳电池的研究方面。对 CIGS 薄膜太阳能电池的研究几乎微不足道，以自然科学基金和国家 863 计划为主的基础研究资金投入不足 300 万人民币，相关基础研究水平较低，国内目前达到的实验室最高光电转化率仅为 8%-9%.以产业化为目的的研究项目有南开大学光
18、电子所的“2001 年能源技术领域后续能源技术主题太阳能薄膜电池“863”项目”CIGS 课题，科技部资金支持强度约 2000 万人民币，目标是建成 0.3MW 中试线。大约在 2001 年以前国内从事 CIGS 薄膜太阳能电池研究的单位极少，稍有影响的是天津南开大学光电子所和清华大学机械工程系功能薄膜研究室。近期通过网站和别的途径了解到，一些单位计划申请理想准备开展这方面的研究，例如北京科技大学，钢铁研究总院等，但是从立项计划书中的研究计划可以知道， 研究水平可以说是处于非常初始的阶段，或者说是没有研究基础只是计划研究 CIGS 太阳能电池，这一点在我们学校很好的体现出来，老师和学长现在都处
19、在对薄膜太阳能电池的一些性质和结构的研究，而且是计算机模拟，很难做到让大家在实验方面有所突破。从以上事实可以看出我国与该领域技术领先国家的差距是非常大的，但是，这也不会让我国的科学家和专业人士气馁，最近有关 CIGS 薄膜太阳能出现了了一些新的积极可喜的发展动向.与国家在这方面低头人以及因之国内高校和研究机构的低强度低研究水平的状况相反,一些国内的企业家对 CIGS 太阳能电池显示出极大的热情以及资金投入和领域介入的积极性.所以我国现在对这方面的研究有很大的发展领域.研究 CIGS 是具有重大意义的，它具有以下几点优势，可以在性能，效率，节能等反面超越以往的任何电池。(1)：CuInSe2中I
20、n用Ga替代，可以使半导体的禁带宽度在1.04到1.65eV间变化，非常适合于调整和优化禁带宽。如在膜厚方向调整Ga的含量，形成梯度带隙半导体，会产生背表面场效应，可获得更多的电流输出;使pn结附近的带隙提高，形成V字形带隙分布等。能进行这种带隙裁剪是CIGS系电池相对于Si系和CdTe系电池的最大的优势。(2)：由于CIGS本身的特殊物性，它可以在玻璃基板上形成缺陷很少的、晶粒巨大的、高品质结晶。而这种晶粒尺寸是其他的多品薄膜无法达到的。(3)：CIGS的Na效应。对于Si系半导体，Na等碱金属元素是避之唯恐不及的半导体杀手，而在CIGS系中，微量的Na会提高转换效率和成品率NI 因此使用钠
21、钙玻璃作为CIGS的基板，除了成本低，膨胀系数相近以外，还有Na掺杂的考虑。(4) ：CIGS是已知的半导体材料中光吸收系数最高的，达到105icmo(5): 没有光致衰退效应(SWE)的半导体材料，光照甚至会提高CIS的转换效率，因此此类太阳能电池的工作寿命长。有实验结果说明比寿命较长的单晶硅电池的寿命一般比40年还长。(6)：CIGS是一种直接带隙的半导体材料，最适合薄膜化。同时考虑到它的极高的光吸收系数，电池吸收层的厚度可以降低到2“3 p m，这样可以大大降低原材料的消耗。这些 优 势 就是CIGS电池尽管为多晶薄膜但仍能取得很高转换效率的原因。同时由于这类电池中所涉及的薄膜材料的制备
22、方法主要为溅射方法和化学浴方法，这些方法均可以获得均匀大面积的薄膜低成本奠定了基础。所以，研究 CIGS 薄膜太阳能电池的意义是十分重大的，尤其是我国现在还处在对它研究的初级阶段，更要加快步伐，尽管我们国家与该技术领域领先国家比较存在差距，但是我们国内相关单位开展此项工作达十年之久，尤其是近几年开展此项技术研究工作的单位的数量和研究人员在很快增加。还有，在 CIGS 太阳能电池的所有摩西中，涉及到 Mo,ZnO,Al2O3,ZnS,MgO 以及 Cu,In,Ga,Se 等材料。除了硒以外，都不是稀缺材料，而硒在我国还是相对丰富的。这说明在我国发展 CIGS 太阳能技术在资源上具有优势和可行性。
23、1.2 课题的研究目的及研究内容1.2.1 研究目的从现在的国内外对于 CIGS 的研究和成果来看，CIGS 薄膜太阳能电池是一个具有优良的性能，高的吸收效率，宽的能量带系的新型的具有很大发展前景的材料。鉴于这样，我国不能落后，尽管现在我们国家跟在这方面发展迅速的国家相比距离相差很大，但我们也有我们的优势，我国也有研究和施行的可行性，对于我们国家人民以后的生活具有很大的影响。我国在技术上，资源上，资金上，成本上都具有很大的发展潜力。但是在这些有利条件的前提下，我们的可科研人员就要做出很大的贡献，在引进国外先进的技术的同时，我们也要建立起我们国家自己的技术，我们要树立最终必须依靠自己国内研究力量的思想。所以本论文研究目的是通过采用花费较低的原子模拟的方法分子动力学模拟，在比较短的时间里得到其在拉力、温度的变化下的 Cu 纳米线的性质，为探索和促进 CIGS 太阳能薄膜电池的研究和实用化的重要意义提供参考价值，将为其成分设计和确定制备工艺提供新思路和理论依据。1.2.2 研究内容（1）：了解薄膜太阳能电池的国内外研究背景及现状，对 CIGS 的性能、制备等各个方面做出一个系统的认定；（2）：课题主要目地在于运用分子动力学原子模拟对 Cu 纳米线拉伸的行为进行研究；（3）：模拟并统计工艺参数（重点是拉力，温度）对 Cu 纳米线的性质和弹性模量的影响。
