硅晶体定向凝固生长中原生位错形核机制的分子动力学模拟研究
发布时间：2021-03-25 02:04
多晶硅太阳能电池因其高性价比而被广泛应用于光伏发电领域。位错是影响多晶硅太阳能电池光电转换效率的主要因素,通过降低位错密度来提高多晶硅太阳能电池的转换效率一直是光伏研究领域的重要课题。硅晶体定向凝固生长过程中形成的原生位错会成为位错增殖的源,在随后的生产或加工中导致位错密度的大幅增加,致使太阳能电池效率的下降。但形成于凝固结晶固-液界面前沿的原生位错,其形核和演化难以通过实验直接观察和研究。分子动力学模拟能够在原子/分子尺度提供体系结构演变过程的全部信息,是从微观角度研究晶体生长动力学和相关缺陷形成过程的有力工具。本文利用分子动力学模拟研究硅晶体定向凝固生长过程中原生位错形核机制,选择Tersoff势函数描述硅原子间及硅与碳杂质原子间的相互作用,研究了接近熔点的高温下硅晶体的弹性和塑性性质、硅晶体凝固生长过程中原生位错和孪晶的伴生关系、应力作用下凝固生长过程及原生位错的形核机制、凝固生长过程中晶界碳杂质原子偏析位置附近原生位错的形核机制。模拟研究结果表明:（1）在约化温度（T/Tm）为0.88的高温条件下,硅晶体有各向异性的杨氏模量和屈服强度。在屈服阶段,Shoc...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
定向凝固法示意图和该方法生产
第1章绪论5铁可以非常有效地降低p型硅的少子寿命[38]；而铜被认为对n型硅少子寿命的影响大于对p型硅的影响[39]。1.4定向凝固多晶硅中的晶界多晶硅定向凝固技术虽然可以较好的控制凝固过程的晶粒取向，基本消除晶粒的横向生长，但最终获得的仍然是由不同晶向的柱状晶粒组成的多晶组织。多晶硅两个相互接触的单晶晶粒之间会形成过渡区，在其中规则晶格发生畸变，形成晶体中的二维缺陷，称之为多晶硅的晶界。(a)(b)图1.2小角度晶界示意图和位错模型(a)示意图(b)位错模型[40]Fig.1.2SchematicdiagramanddislocationmodelofSAGB(a)Schematicdiagram(b)Dislocationmodel[40]多晶硅的晶界可分为“小角度晶界”(SAGB)和“大角度晶界”(HAGB)[41-45]。小角度晶界两侧晶粒的偏转角≤°，大角度晶界两侧晶粒的偏转角>°。图1.2(a)是简单立方结构小角度晶界模型，相邻晶粒间的偏转角很小，在这种情况下，原子尺度上的晶格失配可以用一组沿着晶界的刃型位错表示，如图1.2(b)所示。两个晶粒间的偏转角与位错Burgers矢量的大小和两个位错之间的距离有关：=(1.3)随着偏转角的增大，位错间距减小，上述模型不再适用。大角度晶界通常使用重合位置点阵(CSL)模型描述。它基于这样一个事实：若两个相邻晶粒的两个晶格具有某个共同方向，如果将两个晶格相互穿插，则一部分晶格是重合的。图1.3举例说明了这一结构。CSL模型非常方便，它允许只用一个参数Σ
第1章绪论6来描述晶界。Σ是由重合晶格单胞体积与实际晶体单胞体积比值来定义的。根据该定义，对于立方点阵Σ值总是奇数，Σ等于1意味着单晶。除1外，最小的整数Σ值是Σ=3，它描述了一个所谓的一阶孪生晶界[46]。其它类型的孪晶界具有Σ3n值，但它们在多晶硅中的出现频率随Σ值的增加而减小，出现频率Σ3>Σ9>Σ27[43,44]。此外，多晶硅中还有其他CSL晶界，如Σ5、Σ7和Σ11等等，但很少存在。理论上可以计算出很大的Σ值，但Σ>27的晶界因其对称性低而被实际描述为普通大角度晶界(RAGB)[43,44]。图1.3晶界重合位置点阵模型示意图Fig.1.3Schematicdiagramofcoincidencesitelatticemodelofgrainboundary晶界对太阳能电池性能最重要的影响是对少子寿命的影响，这种影响取决于晶界的类型和金属杂质的缀饰。受污染晶界中的金属杂质在硅带隙中形成深能级复合中心从而降低少子寿命[49]。“纯”或不受污染的晶界被认为对少子寿命几乎无害，至少对于低Σ型晶界是如此[48,50,51]。其他类型晶界由于晶界势垒而引起的散射也可能对载流子的迁移率产生影响。1.5定向凝固多晶硅中的位错1.5.1位错类型及其核心结构位错是晶体中的一种“线”型畸变缺陷，在它周围严重畸变区域，其中一个尺度比垂直于此线的其它两维尺度大很多。也可以把位错严重畸变区看作一个“管道”，这个管道的直径通常只有几个原子间距，并贯穿于晶体之中。晶体中主要存在两种位错类型；刃位错和螺位错。刃位错的Burgers矢量与位错线是正
【参考文献】：
期刊论文
[1]2019年中国光伏产业发展形势展望[J]. 赛迪智库光伏产业形势分析课题组. 电器工业. 2019(05)
[2]硅晶体生长速率与过冷度关系的分子动力学模拟研究[J]. 周耐根,张弛,刘博,李克,周浪. 人工晶体学报. 2016(01)
[3]分子动力学模拟的主要技术[J]. 文玉华,朱如曾,周富信,王崇愚. 力学进展. 2003(01)
博士论文
[1]倒四棱锥结构在晶硅太阳能电池上的研究与应用[D]. 陈伟.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2018
[2]冶金法多晶硅真空定向凝固过程的数值模拟优化及应用研究[D]. 杨玺.昆明理工大学 2015
[3]微尺度下单晶硅疲劳失效机理的分子动力学模拟研究[D]. 张云安.国防科学技术大学 2014
[4]硅中shuffle型60°位错演化的分子模拟[D]. 钟康游.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3098816
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
定向凝固法示意图和该方法生产
第1章绪论5铁可以非常有效地降低p型硅的少子寿命[38]；而铜被认为对n型硅少子寿命的影响大于对p型硅的影响[39]。1.4定向凝固多晶硅中的晶界多晶硅定向凝固技术虽然可以较好的控制凝固过程的晶粒取向，基本消除晶粒的横向生长，但最终获得的仍然是由不同晶向的柱状晶粒组成的多晶组织。多晶硅两个相互接触的单晶晶粒之间会形成过渡区，在其中规则晶格发生畸变，形成晶体中的二维缺陷，称之为多晶硅的晶界。(a)(b)图1.2小角度晶界示意图和位错模型(a)示意图(b)位错模型[40]Fig.1.2SchematicdiagramanddislocationmodelofSAGB(a)Schematicdiagram(b)Dislocationmodel[40]多晶硅的晶界可分为“小角度晶界”(SAGB)和“大角度晶界”(HAGB)[41-45]。小角度晶界两侧晶粒的偏转角≤°，大角度晶界两侧晶粒的偏转角>°。图1.2(a)是简单立方结构小角度晶界模型，相邻晶粒间的偏转角很小，在这种情况下，原子尺度上的晶格失配可以用一组沿着晶界的刃型位错表示，如图1.2(b)所示。两个晶粒间的偏转角与位错Burgers矢量的大小和两个位错之间的距离有关：=(1.3)随着偏转角的增大，位错间距减小，上述模型不再适用。大角度晶界通常使用重合位置点阵(CSL)模型描述。它基于这样一个事实：若两个相邻晶粒的两个晶格具有某个共同方向，如果将两个晶格相互穿插，则一部分晶格是重合的。图1.3举例说明了这一结构。CSL模型非常方便，它允许只用一个参数Σ
第1章绪论6来描述晶界。Σ是由重合晶格单胞体积与实际晶体单胞体积比值来定义的。根据该定义，对于立方点阵Σ值总是奇数，Σ等于1意味着单晶。除1外，最小的整数Σ值是Σ=3，它描述了一个所谓的一阶孪生晶界[46]。其它类型的孪晶界具有Σ3n值，但它们在多晶硅中的出现频率随Σ值的增加而减小，出现频率Σ3>Σ9>Σ27[43,44]。此外，多晶硅中还有其他CSL晶界，如Σ5、Σ7和Σ11等等，但很少存在。理论上可以计算出很大的Σ值，但Σ>27的晶界因其对称性低而被实际描述为普通大角度晶界(RAGB)[43,44]。图1.3晶界重合位置点阵模型示意图Fig.1.3Schematicdiagramofcoincidencesitelatticemodelofgrainboundary晶界对太阳能电池性能最重要的影响是对少子寿命的影响，这种影响取决于晶界的类型和金属杂质的缀饰。受污染晶界中的金属杂质在硅带隙中形成深能级复合中心从而降低少子寿命[49]。“纯”或不受污染的晶界被认为对少子寿命几乎无害，至少对于低Σ型晶界是如此[48,50,51]。其他类型晶界由于晶界势垒而引起的散射也可能对载流子的迁移率产生影响。1.5定向凝固多晶硅中的位错1.5.1位错类型及其核心结构位错是晶体中的一种“线”型畸变缺陷，在它周围严重畸变区域，其中一个尺度比垂直于此线的其它两维尺度大很多。也可以把位错严重畸变区看作一个“管道”，这个管道的直径通常只有几个原子间距，并贯穿于晶体之中。晶体中主要存在两种位错类型；刃位错和螺位错。刃位错的Burgers矢量与位错线是正
【参考文献】：
期刊论文
[1]2019年中国光伏产业发展形势展望[J]. 赛迪智库光伏产业形势分析课题组. 电器工业. 2019(05)
[2]硅晶体生长速率与过冷度关系的分子动力学模拟研究[J]. 周耐根,张弛,刘博,李克,周浪. 人工晶体学报. 2016(01)
[3]分子动力学模拟的主要技术[J]. 文玉华,朱如曾,周富信,王崇愚. 力学进展. 2003(01)
博士论文
[1]倒四棱锥结构在晶硅太阳能电池上的研究与应用[D]. 陈伟.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2018
[2]冶金法多晶硅真空定向凝固过程的数值模拟优化及应用研究[D]. 杨玺.昆明理工大学 2015
[3]微尺度下单晶硅疲劳失效机理的分子动力学模拟研究[D]. 张云安.国防科学技术大学 2014
[4]硅中shuffle型60°位错演化的分子模拟[D]. 钟康游.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3098816
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3098816.html
