硅凝固生长过程中孪晶和位错形成与演变模拟研究

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多晶硅太阳能电池因生产成本低和光电转换效率较高而成为光伏市场主流。但多晶硅太阳能电池因位错等晶体缺陷的存在，比单晶硅太阳能电池光电转换效率要低。降低定向凝固多晶硅中位错等缺陷密度成为业界努力的目标之一，然而实验上尚难以在硅晶体生长过程之中观测分析缺陷的形成，对缺陷形成机理缺乏深入的认识。本文运用分子动力学模拟方法，硅原子间相互作用采用Tersoff势函数进行计算，就多晶硅中位错和孪晶这两类最重要的晶体缺陷开展了模拟研究。
　　本研究主要内容包括：⑴硅生长孪晶形成于{111}密排面上，是一个在密排面上HCP结构和FCC结构竞争生长，且HCP结构逐渐占优直至占据整个区域的过程。能量分析发现，硅原子在{111}密排面上的错排能非常低，生长过程两种结构同时出现的概率非常高。当硅晶体沿{111}面生长时，固液界面保持稳定并为密排面，形成孪晶概率最高；沿(110)和(112)面生长时，固液界面均会转化成被{111}小面包围的之字型界面，孪晶在{111}小面上形成，形成概率比沿{111}面生长时低；沿(100)面生长时，固液界面稳定，未能形成{111}小面，整个生长过程中也没有形成孪晶。⑵硅晶体生长过程中位错的形核是伴随在孪晶的形成过程之中，在{111}小面上竞争生长的HCP结构和FCC结构之间容易形成位错。不同面位错形核的难易程度由大到小的顺序为：(100)面>(110)面>(112)面>(111)面。硅晶体沿相同晶面生长时，生长温度越高，位错越难形成。⑶硅晶体生长过程中易形成三种位错，它们是伯氏矢量为1/6<112>、1/12<111>的不全位错和1/6<110>梯杆位错。这些位错在晶体生长过程中伴随着分解和合成复杂变化，如伯氏矢量为1/2<110>的全位错会分解为两个伯氏矢量为1/6<112>的不全位错；伯氏矢量1/6<112>的不全位错仍会分解为亚稳态的1/12<111>的不全位错；而两个伯氏矢量为1/6<112>的不全位错会合成一个伯氏矢量为1/6<110>的梯杆位错。⑷位错形成后会反作用于硅晶体的生长过程。当硅晶体沿(110)面生长时，与生长面垂直的刃位错对硅晶体生长速率影响不大，而螺位错和60°位错则因对生长面的小面化有影响，而降低了硅晶体生长速率。

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作者
张弛;
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作者单位

南昌大学;

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授予单位南昌大学;
学科材料科学与工程
授予学位硕士
导师姓名周耐根;
年度 2017
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类晶体的物理性质;孪生晶体;
关键词
多晶体硅; 晶体结构; 孪晶形核; 分子动力学;

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