定向凝固硅晶体前沿位错形成与抑制的分子动力学模拟研究

Directionally solidified crystalline silicon has become the most important photovoltaic materials due to its low production cost. However, its photovoltaic performance is worse than that of Czochralski silicon because of its high dislocation densities. Lowering the dislocation densities is one of the main goals of photovoltaic industry. According to our previous practical efforts in collaboration with photovoltaic industry and related literatures, these dislocations are mostly formed by multiplication of the primary dislocations, which are generated at the front of the crystals during solidification. Control of the primary dislocations is therefore key to control of the dislocation density in directionally solidified silicon. The proposed project aims to study into the mechanisms and the conditions of the dislocation generation in directional solidification of silicon by means of molecular dynamics simulations, and then to propose the ways to inhibit the dislocation generatiion. The main topics of the project include mechanisms and propability of the dislocation generation at the growing front in directional solidification of silicon, and the effects of the overcool and the temerature gradient, crystallographic orientation, grain boundaries, stress/strain, and impurity atoms of B, P and C.On basis of these works, the mechanisms and conditions for the dislocation generation will be proposed, and the method for inhibiting it will be suggested, followed by experimental verification. The present project is innovative in both the objectives and the methodology. The expected results will be of great importance to improve the quality of directionally solidified crystalline silicon, and hence its photovoltaic performance.

定向凝固生长硅晶体因低成本而成为最主要的光伏材料,但高位错密度致使其光伏应用性能比直拉单晶硅差，降低其位错密度是光伏行业努力追求的目标之一。我们前期与光伏业合作的实验研究和相关文献均表明，定向凝固硅锭中位错大部分都是由凝固时在结晶前沿形成的原生位错增殖形成，因此控制凝固过程中结晶前沿原生位错的形成是降低定向凝固硅锭中位错密度的关键。本项目运用分子动力学方法对定向凝固硅晶体中结晶前沿位错的形成机制、形成条件与抑制方法进行模拟研究。主要内容包括结晶前沿处位错的形成机制与形成几率,以及熔体过冷度与温度梯度、结晶生长方向、晶界、应力应变条件和B、P、C三种常见杂质原子的影响；在此基础上归纳硅晶体定向凝固结晶前沿位错形成机制与条件，提出其抑制方法，并进行实验验证。本项目在方法和内容上均有创新，研究成果对提高定向凝固生长硅晶体的质量和其光伏性能有重要意义。

晶硅太阳能电池定向凝固生长硅晶体中位错密度高，阻碍了其光电转换效率的提升，降低硅晶体中的位错密度是光伏行业努力追求的目标之一。现有实验对其研究仅限于对出炉后的硅晶体进行位错分析，对其生长过程中的位错形成难以进行研究。本项目运用分子动力学方法对硅晶体中结晶前沿位错的形成进行模拟研究。结果发现：.硅晶体生长呈现出各向异性，固液界面附近熔体原子扩散系数的差异是造成硅晶体生长各向异性的重要原因之一。硅沿（111）和（112）面的生长时较沿（100）面和（110）面生长时位错更易形成。应变会降低硅晶体生长速率，并提高晶体生长中位错的形核概率。但对于（111）和（112）生长面，一定范围的小应变却可以抑制位错的形核。在较小的过冷度或温度梯度下，硅晶体生长时位错的形核概率极低；当过冷度或温度梯度增大到一定值时，晶体生长中的位错的形核概率会显著升高，并保持在一个较恒定的范围。C杂质原子的存在可以导致硅晶体的生长速率稍微的降低。硅晶体生长过程位错形成过程和结构复杂多样，其中常见的形成过程是在结晶前沿出现密排面的小面化，密排小面上易形成孪晶界，孪晶界诱发位错形成。这类伴随孪晶产生的位错，常形成两类特定的结构：一类是由两个孪晶界中间夹着几层FCC原子层形成的三明治结构，而在三明治结构的端点是一个Shockley 位错；另一类是由两个相交的层错组成，交点是一个Stair-rod位错。在应变条件下的硅晶体凝固生长中形成的位错结构与应变有直接关联。硅双晶表现出择优生长，一般为生长速率更快的晶面取向择优而被保留。当两个生长速率接近的双晶模型生长时，择优生长过程中竞争更为激烈导致更多位错的产生。在含有(111)面和(112)面的双晶生长过程中会产生大量的层错。基于有限无仿真，我们提出了一种简化的冷却工艺，降低位错密度的同时节约了时间和能源成本。.本项目研究结果可促进光伏行业研究人员对硅晶体位错形成的认识和理解，为进一步控制位错的形成有重要参考价值，简化的冷却工艺已有部分企业采用。