【正文】 日本企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模在2002年已經(jīng)達(dá)到了254MW，已經(jīng)占世界產(chǎn)量的50%，居于絕對(duì)的領(lǐng)先地位。第一代為單晶硅太陽(yáng)能電池，第二代為多晶硅，非晶硅等低成本太陽(yáng)能電池，第三代太陽(yáng)能電池是高效，低成本，可大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的銅鎵硒等化合物薄膜太陽(yáng)能電池及薄膜SI系太陽(yáng)電池，其制造成本在近期可以達(dá)到低于75日元/W的水平。與國(guó)際上研究開發(fā)的力度和規(guī)模相比較，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)電池的研究方面。 大約在2001年以前國(guó)內(nèi)從事CIGS薄膜太陽(yáng)能電池研究的單位極少，稍有影響的是天津南開大學(xué)光電子所和清華大學(xué)機(jī)械工程系功能薄膜研究室。 從以上事實(shí)可以看出我國(guó)與該領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家的差距是非常大的，但是，這也不會(huì)讓我國(guó)的科學(xué)家和專業(yè)人士氣餒，,. 研究CIGS是具有重大意義的，它具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，可以在性能，效率，節(jié)能等反面超越以往的任何電池。如在膜厚方向調(diào)整Ga的含量，形成梯度帶隙半導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生背表面場(chǎng)效應(yīng)，可獲得更多的電流輸出。能進(jìn)行這種帶隙裁剪是CIGS系電池相對(duì)于Si系和CdTe系電池的最大的優(yōu)勢(shì)。而這種晶粒尺寸是其他的多品薄膜無(wú)法達(dá)到的。對(duì)于Si系半導(dǎo)體，Na等堿金屬元素是避之唯恐不及的半導(dǎo)體殺手，而在CIGS系中，微量的Na會(huì)提高轉(zhuǎn)換效率和成品率N}I 因此使用鈉鈣玻璃作為CIGS的基板，除了成本低，膨脹系數(shù)相近以外，還有Na摻雜的考慮。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明比壽命較長(zhǎng)的單晶硅電池的壽命一般比40年還長(zhǎng)。同時(shí)考慮到它的極高的光吸收系數(shù)，電池吸收層的厚度可以降低到23 p m，這樣可以大大降低原材料的消耗。同時(shí)由于這類電池中所涉及的薄膜材料的制備方法主要為濺射方法和化學(xué)浴方法，這些方法均可以獲得均勻大面積的薄膜低成本奠定了基礎(chǔ)。還有，在CIGS太陽(yáng)能電池的所有摩西中，涉及到Mo,ZnO,Al2O3,ZnS,MgO以及Cu,In,Ga,Se等材料。這說(shuō)明在我國(guó)發(fā)展CIGS太陽(yáng)能技術(shù)在資源上具有優(yōu)勢(shì)和可行性。鑒于這樣，我國(guó)不能落后，盡管現(xiàn)在我們國(guó)家跟在這方面發(fā)展迅速的國(guó)家相比距離相差很大，但我們也有我們的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)也有研究和施行的可行性，對(duì)于我們國(guó)家人民以后的生活具有很大的影響。但是在這些有利條件的前提下，我們的可科研人員就要做出很大的貢獻(xiàn)，在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)的同時(shí)，我們也要建立起我們國(guó)家自己的技術(shù)，我們要樹立最終必須依靠自己國(guó)內(nèi)研究力量的思想。 研究?jī)?nèi)容（1）：了解薄膜太陽(yáng)能電池的國(guó)內(nèi)外研究背景及現(xiàn)狀，對(duì)CIGS的性能、制備等各個(gè)方面做出一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)定；（2）：課題主要目地在于運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)原子模擬對(duì)Cu納米線拉伸的行為進(jìn)行研究；（3）：模擬并統(tǒng)計(jì)工藝參數(shù)（重點(diǎn)是拉力，溫度）對(duì)Cu納米線的性質(zhì)和彈性模量的影響。諾依曼的理論指導(dǎo)下，美國(guó)研制出了第一代電子計(jì)算機(jī)。計(jì)算物理學(xué)是伴隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而逐步形成并獲得發(fā)展的，它是物理學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)三者相結(jié)合的產(chǎn)物。今天，計(jì)算物理學(xué)已發(fā)展成為與理論物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)相并列的一門科學(xué)。這樣，計(jì)算機(jī)在物理學(xué)研究中的應(yīng)用就成為必然。材料科學(xué)包括固體材料、液體材料、氣體材料。固體材料的內(nèi)容相當(dāng)廣泛，概括起來(lái)有金屬材料、半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、離子材料、分子材料、有機(jī)高分子材料以及近十幾年興起的納米材料等。在統(tǒng)計(jì)力學(xué)和凝聚態(tài)物理中的計(jì)算機(jī)模擬研究工作可追溯到20世紀(jì)50年代，到今天，它已經(jīng)發(fā)展到物理化學(xué)的許多領(lǐng)域中，成為不可缺少的研究手段。 原子模擬與分子動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介經(jīng)典原子模擬最早是由Boswara和Lidiard進(jìn)行的，他們?cè)噲D確定NaCl結(jié)構(gòu)和鹵化鈰中肖脫基缺陷（Schottky defect）的形成能。在20世紀(jì)70年代用類似的方法研究了過(guò)渡金屬氧化物。在這些研究中，很多先驅(qū)性的技術(shù)得以應(yīng)用。開始時(shí)原子模擬僅限于塊體狀缺陷性能的計(jì)算，現(xiàn)在已經(jīng)能夠計(jì)算表面性能了。最近，計(jì)算機(jī)原子模擬已應(yīng)用于生物領(lǐng)域，用來(lái)確定復(fù)雜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。原子間的力可以通過(guò)兩種方式來(lái)確定：基于牛頓力學(xué)的經(jīng)典方式和基于量子力學(xué)的第一性原理的方式。但量子力學(xué)方法計(jì)算量巨大，當(dāng)面對(duì)有限的計(jì)算資源時(shí)，它就不太適應(yīng)性了。當(dāng)然，當(dāng)未來(lái)計(jì)算能力有了根本性的飛躍之后，對(duì)更大的系統(tǒng)用量子力學(xué)模擬將是更好的選擇。分子動(dòng)力學(xué)方法是一種計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)方法，是研究凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。它是對(duì)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充。經(jīng)典MD模擬，其系統(tǒng)規(guī)模在一般的計(jì)算機(jī)上也可達(dá)到數(shù)萬(wàn)個(gè)原子，模擬時(shí)間為納秒量級(jí)。在忽略核子的量子效應(yīng)和BornOppenheimer絕熱近似下，分子動(dòng)力學(xué)的這一種假設(shè)是可行的。要進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬就必須知道原子間的相互作用勢(shì)。然而采用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)必然丟失了局域電子結(jié)構(gòu)之間存在的強(qiáng)相關(guān)作用信息，即不能得到原子動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的電子性質(zhì)。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是以多種學(xué)科和理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及相關(guān)的軟件為工具，用虛擬試驗(yàn)的方法來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的一門綜合性技術(shù)。材料性質(zhì)與行為的計(jì)算與模擬可以簡(jiǎn)單地分為兩大類：連續(xù)模型和原子模型。在原子模型中，材料被看作單原子的結(jié)合，每個(gè)原子都作為基元來(lái)處理，主要運(yùn)用的是分子動(dòng)力學(xué)方法（MD：MolecularDynamics Simulation）與蒙特卡洛方法（MC：Monte Carlo Simulation），以及從量子力學(xué)出發(fā)的第一性原理計(jì)算（The First Principle Calculation）。鑒于上述原因和對(duì)我們本身計(jì)算能力的考慮，本文中我們采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法。1957 年，Alder和Wainwright首先在硬球模型下，采用分子動(dòng)力學(xué)研究氣體和液體的狀態(tài)方程，從而開創(chuàng)了利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究物質(zhì)宏觀性質(zhì)的先例。但由于受到計(jì)算機(jī)速度及其內(nèi)存的限制，早期模擬的空間尺度都受到很大的限制。分子動(dòng)力學(xué)模擬不僅能得到原子的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)，還能像做實(shí)驗(yàn)一樣進(jìn)行各種觀察。對(duì)于非平衡系統(tǒng)，發(fā)生在一個(gè)分子動(dòng)力學(xué)觀察時(shí)間內(nèi)的物理現(xiàn)象也可以用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算進(jìn)行直接模擬。 分子動(dòng)力學(xué)模擬方法基本原理分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理：分子動(dòng)力學(xué)將連續(xù)介質(zhì)看成由N個(gè)原子或分子組成的粒子系統(tǒng),各粒子之間的作用力可以通過(guò)量子力學(xué)勢(shì)能函數(shù)求導(dǎo)得出,忽略量子效應(yīng)后,運(yùn)用經(jīng)典牛頓力學(xué)建立系統(tǒng)粒子運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,通過(guò)數(shù)值求解得到粒子在相空間的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后由統(tǒng)計(jì)物理學(xué)原理得出該系統(tǒng)相應(yīng)的宏觀動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性。MD具體的做法是計(jì)算機(jī)上求運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解。從使用連續(xù)變數(shù)和微分算符的描述過(guò)渡到使用離散變數(shù)和有限差分算符的描述,顯然會(huì)有誤差,誤差的階數(shù)取決于具體的近似機(jī)制,即所用的算法。為了確定起見(jiàn),可令初始位置在格子的格點(diǎn)上,而初始速度則從波爾茲曼分布得出。為了推動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)平衡,需要一個(gè)趨衡階段。接著是物理量的計(jì)算階段,沿著系統(tǒng)在相空間中的軌道計(jì)算一切令人感興趣的量。周期邊界條件是將一定數(shù)量的粒子N集中在一定的容積V中,這個(gè)容積V稱為原胞,原胞周圍的部分可以看作是原胞的復(fù)制,它們稱作鏡像細(xì)胞。這樣只需根據(jù)原胞周圍的邊界條件計(jì)算原胞內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng),幅度減少了工作量。最簡(jiǎn)單的偶勢(shì)模型只考慮兩體作用,而與其它原子無(wú)關(guān),在模擬中運(yùn)算量小。對(duì)于一個(gè)多粒子體系的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)物理量的數(shù)值可以由總的平均得到。按照產(chǎn)生位形變化的方法，我們有兩類方法對(duì)有限的一系列態(tài)的物理量做統(tǒng)計(jì)平均：第一類是隨機(jī)模擬方法。在此方法中，體系位形的轉(zhuǎn)變是通過(guò)馬爾科夫(Markov)過(guò)程，由隨機(jī)性的演化引起的。該方法可以被用到?jīng)]有任何內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)模型體系的模擬上。另一類為確定性模擬方法，即統(tǒng)計(jì)物理中的所謂分子動(dòng)力學(xué)方法（Molecular Dynamics Method）。該方法是按該體系內(nèi)部的內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)規(guī)律來(lái)計(jì)算并確定位形的轉(zhuǎn)變。因此，分子動(dòng)力學(xué)模擬方法可以看作是體系在一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展過(guò)程的模擬。系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制決定運(yùn)動(dòng)方程的形式： 在分子動(dòng)力學(xué)方法處理過(guò)程中，方程組的建立是通過(guò)對(duì)物理體系的微觀數(shù)學(xué)描述給出的。每個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的內(nèi)稟動(dòng)力學(xué)是用理論力學(xué)上的哈密頓量或者拉格朗日量來(lái)描述，也可以直接用牛頓運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述。但是使用該方法的程序較復(fù)雜，計(jì)算量大，占內(nèi)存也大。這個(gè)方法適用的體系既可以是少體系統(tǒng)，也可以是多體系統(tǒng)；既可以是點(diǎn)粒子體系，也可以是具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的體系；處理的微觀客體既可以是分子，也可以是其它的微觀粒子。它與蒙特卡洛方法一起已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)模擬的重要方法。其應(yīng)用已從化學(xué)反應(yīng)、生物學(xué)的蛋白質(zhì)到重離子碰撞等廣泛的學(xué)科研究領(lǐng)域。通常人們感興趣的是體系在熱力學(xué)極限下（即粒子數(shù)目趨于無(wú)窮時(shí)）的性質(zhì)。為了減小有限尺寸效應(yīng)，人們往往引入周期性、全反射、漫反射等邊界條件。數(shù)值求解時(shí)的離散化方法：對(duì)體系的分子運(yùn)動(dòng)方程組采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)，需要將運(yùn)動(dòng)方程離散化為有限差分方程。數(shù)值計(jì)算的誤差階數(shù)顯然取決于所采用的數(shù)值求解方法的近似階數(shù)。系綜的定義為：按照某些特定的量子態(tài)組成的集合體系，所謂的量子態(tài)就是P、T、V、N等狀態(tài)。按照體系固定參數(shù)的不同，系綜可以分為多種，而每種系綜的配分函數(shù)也不盡相同。這也就使宏觀性質(zhì)的計(jì)算式各不相同。1，等溫等壓系綜一般情況下，實(shí)驗(yàn)室所用的材料都認(rèn)為是處在等溫等壓條件下的。 其配分函數(shù)表示如下： ()式中，為普朗克常量為體系的哈密頓函數(shù)，和分別是坐標(biāo)和動(dòng)量。NPT系綜是最常用的系綜，絕大多數(shù)的分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)都是在NPT系綜下進(jìn)行的。2，微正則系綜微正則系綜是指體系完全孤立，與外界不發(fā)生任何的物質(zhì)和能量交換，即粒子數(shù)N、體系總能量E和體系的總體積V都保持恒定，簡(jiǎn)寫為NEV。微正則系綜的熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)用熵來(lái)表示： ()在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律按經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行，因此，體系的能量是守恒的，在模擬體系的粒子數(shù)恒定，體積不變的情況下，模擬的系綜就是NEV系綜。其配分函數(shù)表示如下： () NVT系綜的熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)為亥姆赫茲自由能，表示為： () 在分子動(dòng)力學(xué)模擬中用到的系綜還有很多[51]，如具有確定粒子數(shù)N、壓強(qiáng)P和焓H的等壓等焓系綜（NPH），本文就不再一一介紹。分子動(dòng)力學(xué)方法的出發(fā)點(diǎn)是對(duì)物理系統(tǒng)的確定的微觀描述。這種描述可以是哈密頓描述或拉格朗日描述，也可以是直接用牛頓運(yùn)動(dòng)方程表示的描述。顧名思義，分子動(dòng)力學(xué)方法是用運(yùn)動(dòng)方程來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的性質(zhì)，結(jié)果得到的既有系統(tǒng)的靜態(tài)特性，也有動(dòng)態(tài)特性。其中，系統(tǒng)動(dòng)能由粒子的運(yùn)動(dòng)速度決定，假設(shè)模擬體系有n個(gè)原子構(gòu)成，用哈密頓運(yùn)動(dòng)方程表示的經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程如下所示： () ()式中，i取，1,2…n，而哈密頓函數(shù)可表示為： ()式中，表示第i個(gè)粒子的廣義坐標(biāo)，表示第i個(gè)粒子的動(dòng)量，是該粒子的質(zhì)量，為系統(tǒng)的總勢(shì)能。而其中的力是原子間相互作用勢(shì)來(lái)決定的，根據(jù)模擬計(jì)算中選用的勢(shì)函數(shù)，即可推導(dǎo)出體系中原子之間相互作用勢(shì)，即可計(jì)算出各個(gè)粒子在相空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論得到該系統(tǒng)的宏觀物理特性。本方法有一定的確定性，不存在任何的隨機(jī)過(guò)程，計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)軌跡具有確切的動(dòng)力學(xué)含義。因此，體系內(nèi)的相互作用就變成了一個(gè)只依賴兩個(gè)原子核間距離的勢(shì)函數(shù)的量，而電子的影響則被化為了一個(gè)平均的勢(shì)場(chǎng)。2，各態(tài)歷經(jīng)假設(shè)各態(tài)歷經(jīng)假設(shè)認(rèn)為，分子動(dòng)力學(xué)由時(shí)間的平均來(lái)代替系綜平均以計(jì)算物質(zhì)的各種性能，即是用相空間中的一條軌跡而不是用整個(gè)相空間來(lái)確定物質(zhì)性質(zhì)，這種代替能行得通的前提是這條軌 能遍歷相空間中的所有狀態(tài)。因此人們基于有限差分法，提出了一系列求解微分運(yùn)動(dòng)方程的算法，其中Verlet發(fā)展的算法在分子動(dòng)力學(xué)中使用的最為普遍。進(jìn)一步推導(dǎo)，可得到t時(shí)刻速度為： ()，t時(shí)的速度可由及的位置得到。 為了減小Verlet算法中的誤差，1970年，Hockney對(duì)其進(jìn)行了修正，提出了新的算法，即所謂的蛙跳 (1eapflog)算法： （） （） （）雖然蛙跳算法修正了Verlet算法的誤差，使計(jì)算更準(zhǔn)確，但是此算法計(jì)算出來(lái)的原子的位置和速度不同步，這就導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有一定的偏差，為了修正這種偏差，1982年，Swope等人[56]提出了速度Verlet，表示為： （） （） 速度Verlet算法解決了計(jì)算過(guò)程中原子位置和速度不同步的問(wèn)題，更準(zhǔn)確的表述了實(shí)際原子的狀態(tài)和性質(zhì)，而且Verlet算法的還有執(zhí)行簡(jiǎn)明，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求不高等優(yōu)點(diǎn)，因此被研究者廣泛使用。就分子動(dòng)力學(xué)而言，主要使用Verlet法和Gear法進(jìn)行數(shù)值積分求解。分子動(dòng)力學(xué)方法的出發(fā)點(diǎn)是對(duì)物理系統(tǒng)的確定的微觀描述。這種描述可以是哈密頓描述或拉格朗日描述，也可以是直接用牛頓運(yùn)動(dòng)方程表示的描述。顧名思義，分子動(dòng)力學(xué)方法是用運(yùn)動(dòng)方程來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的性質(zhì)，結(jié)果得到的既有系統(tǒng)的靜態(tài)特性，也有動(dòng)態(tài)特性。 圖31 分子動(dòng)力學(xué)的基本原理流程分子動(dòng)力學(xué)模擬步驟如下：1，規(guī)定初始條件。2，選擇適當(dāng)?shù)膭?shì)函數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)膭?shì)函數(shù)對(duì)模擬結(jié)果至關(guān)重要，本文采用的是原子嵌入勢(shì)(EAM)。按照上述方法建立的體系很可能不是處于平衡態(tài)，因此系統(tǒng)需要一個(gè)趨衡階段，即使系統(tǒng)弛豫若干時(shí)間步長(zhǎng)，使系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)。按照系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的設(shè)定，計(jì)算出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。然而，原子相互作用力稍微復(fù)雜一些，不用說(shuō)求解統(tǒng)計(jì)力學(xué)方程嚴(yán)格解，就是進(jìn)行數(shù)值求解也是一件很困難的事情。隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這使復(fù)雜體系的分子動(dòng)力模擬計(jì)算成為可能。一個(gè)完整的分子動(dòng)力學(xué)模擬程序主要由以下幾部分組成：(1) 讀入指定運(yùn)算條件的參數(shù)，如初始溫度、粒子數(shù)、密度和時(shí)間等。(3) 計(jì)算作用于所有粒子上的力。如果不使用技巧的話，