多晶硅晶界與過(guò)渡金屬雜質(zhì)原子相互作用的第一性原理研究.pdf

1、在目前的太陽(yáng)能電池產(chǎn)品中，多晶硅太陽(yáng)能電池以其成本低的優(yōu)勢(shì)在市場(chǎng)中所占份額高達(dá)45％以上。然而多晶界、高密度位錯(cuò)、微缺陷及相對(duì)較高的雜質(zhì)濃度等缺點(diǎn)卻制約其光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升，其中多晶硅晶界與過(guò)渡金屬雜質(zhì)的作用機(jī)制比較復(fù)雜，對(duì)太陽(yáng)能電池中少數(shù)載流子復(fù)合產(chǎn)生極大影響。過(guò)渡金屬雜質(zhì)和Si之間的相互作用問(wèn)題也是半導(dǎo)體器件物理、材料物理研究的重要課題，所以研究過(guò)渡金屬雜質(zhì)在Si中的電子結(jié)構(gòu)以及原子運(yùn)動(dòng)特性對(duì)提高太陽(yáng)能電池效率有重要的指導(dǎo)作用

2、和實(shí)際意義。本文通過(guò)第一性原理密度泛函方法，研究了過(guò)渡金屬雜質(zhì)(主要是Fe)在多晶硅晶界處的電子結(jié)構(gòu)以及其在晶界上的分凝機(jī)制。
　　 首先，選擇相對(duì)簡(jiǎn)單的∑5＜310＞晶界作為研究對(duì)象，分別計(jì)算了兩種不同的界面模型，通過(guò)界面能的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)Z類型的晶界相對(duì)S類型晶界具有更低的界面能且更穩(wěn)定，這一結(jié)果是與實(shí)驗(yàn)中高分辨透射電鏡的觀測(cè)相一致。然后，研究了金屬Al原子與晶界的相互作用，在晶界上選取了a-f六個(gè)不同的摻雜位置，并以體內(nèi)g位置

3、為參考點(diǎn)依次算得分凝能，發(fā)現(xiàn)晶界上不同摻雜位置對(duì)雜質(zhì)的分凝作用不同，即對(duì)應(yīng)不同的分凝能大小。研究表明晶界形變是不同摻雜位置處分凝能的決定性因素。另外，進(jìn)一步比較了間隙Al摻雜和替位Al摻雜，得出替位Al在晶界上可以更穩(wěn)定地存在，計(jì)算結(jié)果符合真實(shí)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)兩種摻雜方式下電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)間隙Al會(huì)在帶隙中引入雜質(zhì)能級(jí)，而替位Al則沒有。
　　 為了研究過(guò)渡金屬雜質(zhì)Fe與多晶硅晶界的相互作用，在同樣的晶界摻雜位置處摻入

4、間隙Fe原子，發(fā)現(xiàn)在∑5＜310＞晶界上只有一個(gè)間隙位置的總能要低于體內(nèi)摻雜，此計(jì)算結(jié)果一方面預(yù)測(cè)了Z型晶界對(duì)過(guò)渡金屬雜質(zhì)的分凝作用，另一方面也展現(xiàn)出不同摻雜位置的穩(wěn)定性差別。從晶格形變大小、態(tài)密度和電荷密度的計(jì)算結(jié)果中，分析出晶界某個(gè)位置上雜質(zhì)的穩(wěn)定性是由晶格應(yīng)變、晶體場(chǎng)劈裂以及軌道雜化共同決定的。從計(jì)算的態(tài)密度圖中發(fā)現(xiàn)間隙Fe的t2g能級(jí)低于eg能級(jí)，這與一般情況下四面體晶體場(chǎng)中的軌道劈裂是不一樣的（在四面體晶體場(chǎng)中，eg能級(jí)低于t

5、2g能級(jí)），發(fā)現(xiàn)這主要是因?yàn)樗拿骟w間隙Fe原子處在四個(gè)最近鄰的Si-Si反鍵位置上，實(shí)際起作用的應(yīng)該是六個(gè)次近鄰Si原子，對(duì)應(yīng)著八面體晶體場(chǎng)。另外，從態(tài)密度圖和電荷密度圖中發(fā)現(xiàn)Fe原子和最近鄰的Si原子之間存在較強(qiáng)的p-d耦合作用，這是Fe原子的電子組態(tài)(3d64s2)和間隙Fe的電子組態(tài)(3d8)不同的直接原因。p-d耦合作用會(huì)影響間隙Fe原子在帶隙中間對(duì)應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)位置，也會(huì)影響摻雜位置處原子的穩(wěn)定性。
　　 相比于∑5晶界

6、而言，∑3晶界在多晶硅中是最為常見且比例最大的晶界，所以進(jìn)一步研究了雜質(zhì)Fe與∑3＜112＞晶界的相互作用。目前的研究結(jié)果顯示單個(gè)Fe原子是不會(huì)在∑3＜112＞晶界處分凝，但是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中卻在∑3晶界處發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的Fe沉淀，推測(cè)Fe的沉淀可能是由于Fe與其它雜質(zhì)（如晶界處空位、FeB對(duì)、以及O間隙原子等）在晶界上共同作用而造成的。從初步計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)把晶界上的Si原子替換成替位B以后，F(xiàn)e在晶界上的分凝能發(fā)生了很大的變化，幾乎每個(gè)晶界摻雜