The role of Si vacancies in the segregation of O, C, and N at silicon grain boundaries: An ab initio study

杂质 晶界 材料科学 晶体缺陷 结晶学 电子结构 从头算 能量学 化学物理 凝聚态物理 化学 计算化学 光电子学 微观结构 热力学 物理 有机化学
作者
Rita Maji,Julia Contreras‐García,Nathalie Capron,Elena Degoli,Eleonora Luppi
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:155 (17): 174704-174704 被引量:8
标识
DOI:10.1063/5.0067252
摘要

Grain boundaries (GBs) are defects originating in multi-crystalline silicon during crystal growth for device Si solar cell fabrication. The presence of GBs changes the coordination of Si, making it advantageous for charge carriers to recombine, which brings a significant reduction of carrier lifetimes. Therefore, GBs can be highly detrimental for device performances. Furthermore, GBs easily form vacancies with deep defect electronic states and are also preferential segregation sites for various impurity species, such as C, N, and O. We studied from first principles the correlation between structural, energetics, and electronic properties of the Σ3{111} Si GB with and without vacancies, and the segregation of C, N, and O atoms. C and O atoms strongly increase their ability to segregate when vacancies are present. However, the electronic properties of the Σ3{111} Si GB are not affected by the presence of O, while they can strongly change in the case of C. For N atoms, it is not possible to find a clear trend in the energetics and electronic properties both with and without vacancies in the GB. In fact, as N is not isovalent with Si, as C and O, it is more flexible in finding new chemical arrangements in the GB structure. This implies a stronger difficulty in controlling the properties of the material in the presence of N impurity atoms compared to C and O impurities.
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