晶体硅中硼氧及其相关复合体的第一性原理研究

摘要

太阳能光伏发电是一种重要的绿色可再生能源，被认为是解决能源危机最有效的途径之一。目前，晶体硅太阳能电池占据着80％以上的市场份额。然而常规晶体硅太阳电池在使用过程中存在光衰减现象，使得电池转换效率下降3-5％，大大的制约了太阳电池的发展。早期研究发现光衰减与硅中的硼和氧生成的复合体相关，然而到目前为止光衰减缺陷的本质还无定论。通过同族元素掺杂技术，光衰减现象可以得到抑制，然而与其相关的光衰减抑制机理未见详细报道。
　　本文围绕光衰减缺陷的组成元素—硼和氧进行了一系列的研究，采用第一性原理计算的方法计算了晶体硅中硼氧及其相关复合体的结构、能级位置等信息，取得了如下创新性结果:
　　(1)研究了间隙硼双氧复合体的的结构、电学性质等。计算结果表明间隙硼双氧复合体在不同价态(0、+1、+2)的稳定结构相同，因而该复合体不存在不同价态间的结构转变。该复合体在硅禁带中只会引入一个施主能级，位置在（Ec-0.4eV）-（Ec-0.5eV）之间。由此我们说明了潜在间隙硼双氧复合体缺陷模型不合理，该复合体不可能导致光衰减现象。
　　(2)研究了硅中碳、锗、锡与硼的相互作用。碳与硼在硅晶格中引入的都是拉应力，在硅中是处于远离彼此的位置，不能结合形成复合体。锗与硼由于应力补偿可形成多种复合体，在这些稳定复合体结构中锗和硼处于彼此次近邻位。锡与硼也容易形成多种复合体，且在稳定的相关复合体中，锡和硼处于彼此的最近邻位，带相反电荷。对比发现锡硼相关复合体的结合能的绝对值明显大于锗硼相关复合体，说明与锗相比，锡更易与硼结合生成复合体。利用质量作用定理算出的锗硼或锡硼的浓度都是远低于掺杂浓度，即绝大部分锗、锡与硼在硅中没有彼此结合形成复合体，而是以单独的替位原子形式存在。
　　(3)研究了硅中碳、锗、锡与氧的相互作用。硅中的碳可与间隙氧、双氧由于应力补偿可形成稳定复合体。而锗和锡与间隙氧和双氧都难以形成稳定复合体，而且二者会使其周围的间隙氧结合生成双氧的难度增加。对于间隙氧或双氧在硅中的扩散，碳、锗、锡都起到了阻碍作用，使得扩散势垒增加。
　　(4)结合以上理论计算结果，提出了硅中同族元素掺杂抑制光衰减的机理。碳一方面使间隙氧的扩散变难，另一方面与双氧可生成稳定复合体，从而使得硅锭中生成的双氧减少，导致光衰中心—硼氧复合体浓度降低。碳使得双氧的扩散势垒增加，相应会增加掺碳硅中硼氧缺陷的生成激活能。锗和锡使得间隙氧的扩散变难，且使其周围的间隙氧结合生成双氧时释放的能量变低，因而会抑制双氧的生成，导致生成的硼氧缺陷的饱和浓度降低。同样锗和锡均会提高硅中双氧的扩散势垒，最终使得硼氧缺陷的生成激活能增加。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 本文研究目的和内容

1．3 本文的结构安排及内容提要

第二章 文献综述

2．1 引言

2．2 硅中的光衰减缺陷—硼氧复合体

2．2．1 BiOi缺陷模型

2．2．2 BsO2i缺陷模型

2．2．3 BiO2i缺陷模型

2．2．4 潜在BsO2i缺陷模型

2．3 光衰减现象的抑制

2．3．1 掺碳抑制光衰减

2．3．2 掺锗抑制光衰减

2．3．3 掺锡抑制光衰减

2．4 硅中的第四族元素杂质行为

2．4．1 硅中的碳

2．4．2 硅中的锗

2．4．3 硅中的锡

2．5 评论及存在的问题

第三章 理论研究方法

3．1 从头计算方法及其三个近似处理

3．1．1 非相对论近似

3．1．2 绝热近似

3．1．3 轨道近似

3．2 密度泛函理论

3．3 LDA和GGA近似

3．4 CASTEP软件包功能介绍

3．5 本章小结

第四章 间隙硼双氧复合体的第一性原理研究

4．1 引言

4．2 计算方法

4．2．1 计算参数设置

4．2．2 计算模型

4．2．3 能级位置的计算方法

4．3 计算结果与讨论

4．3．1 间隙硼双氧复合体结构

4．3．2 间隙硼双氧复合体能级位置

4．4 本章小结

第五章 硅中第四族元素杂质与硼的相互作用

5．1 引言

5．2 计算方法

5．2．1 计算参数设置

5．2．2 计算模型

5．3 计算结果与讨论

5．3．1 硅中碳与硼的相互作用

5．3．2 硅中锗与硼的相互作用

5．3．3 硅中锡与硼的相互作用

5．4 本章小结

第六章 硅中第四族元素杂质与氧的相互作用

6．1 引言

6．2 计算方法

6．2．1 计算参数设置

6．2．2 计算模型

6．3 计算结果与讨论

6．3．1 碳与氧的相互作用

6．3．2 锗与氧的相互作用

6．3．3 锡与氧的相互作用

6．4 本章小结

第七章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间取得的科研成果