晶體硅中硼氧及其相關(guān)復合體的第一性原理研究.pdf

1、太陽能光伏發(fā)電是一種重要的綠色可再生能源，被認為是解決能源危機最有效的途徑之一。目前，晶體硅太陽能電池占據(jù)著80％以上的市場份額。然而常規(guī)晶體硅太陽電池在使用過程中存在光衰減現(xiàn)象，使得電池轉(zhuǎn)換效率下降3-5％，大大的制約了太陽電池的發(fā)展。早期研究發(fā)現(xiàn)光衰減與硅中的硼和氧生成的復合體相關(guān)，然而到目前為止光衰減缺陷的本質(zhì)還無定論。通過同族元素摻雜技術(shù)，光衰減現(xiàn)象可以得到抑制，然而與其相關(guān)的光衰減抑制機理未見詳細報道。
　　本文圍繞光衰

2、減缺陷的組成元素—硼和氧進行了一系列的研究，采用第一性原理計算的方法計算了晶體硅中硼氧及其相關(guān)復合體的結(jié)構(gòu)、能級位置等信息，取得了如下創(chuàng)新性結(jié)果:
　　(1)研究了間隙硼雙氧復合體的的結(jié)構(gòu)、電學性質(zhì)等。計算結(jié)果表明間隙硼雙氧復合體在不同價態(tài)(0、+1、+2)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)相同，因而該復合體不存在不同價態(tài)間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。該復合體在硅禁帶中只會引入一個施主能級，位置在（Ec-0.4eV）-（Ec-0.5eV）之間。由此我們說明了潛在間隙硼雙

3、氧復合體缺陷模型不合理，該復合體不可能導致光衰減現(xiàn)象。
　　(2)研究了硅中碳、鍺、錫與硼的相互作用。碳與硼在硅晶格中引入的都是拉應力，在硅中是處于遠離彼此的位置，不能結(jié)合形成復合體。鍺與硼由于應力補償可形成多種復合體，在這些穩(wěn)定復合體結(jié)構(gòu)中鍺和硼處于彼此次近鄰位。錫與硼也容易形成多種復合體，且在穩(wěn)定的相關(guān)復合體中，錫和硼處于彼此的最近鄰位，帶相反電荷。對比發(fā)現(xiàn)錫硼相關(guān)復合體的結(jié)合能的絕對值明顯大于鍺硼相關(guān)復合體，說明與鍺相比，錫

4、更易與硼結(jié)合生成復合體。利用質(zhì)量作用定理算出的鍺硼或錫硼的濃度都是遠低于摻雜濃度，即絕大部分鍺、錫與硼在硅中沒有彼此結(jié)合形成復合體，而是以單獨的替位原子形式存在。
　　(3)研究了硅中碳、鍺、錫與氧的相互作用。硅中的碳可與間隙氧、雙氧由于應力補償可形成穩(wěn)定復合體。而鍺和錫與間隙氧和雙氧都難以形成穩(wěn)定復合體，而且二者會使其周圍的間隙氧結(jié)合生成雙氧的難度增加。對于間隙氧或雙氧在硅中的擴散，碳、鍺、錫都起到了阻礙作用，使得擴散勢壘增加。

5、
　　(4)結(jié)合以上理論計算結(jié)果，提出了硅中同族元素摻雜抑制光衰減的機理。碳一方面使間隙氧的擴散變難，另一方面與雙氧可生成穩(wěn)定復合體，從而使得硅錠中生成的雙氧減少，導致光衰中心—硼氧復合體濃度降低。碳使得雙氧的擴散勢壘增加，相應會增加摻碳硅中硼氧缺陷的生成激活能。鍺和錫使得間隙氧的擴散變難，且使其周圍的間隙氧結(jié)合生成雙氧時釋放的能量變低，因而會抑制雙氧的生成，導致生成的硼氧缺陷的飽和濃度降低。同樣鍺和錫均會提高硅中雙氧的擴散勢壘，