Interactions between metallic impurities and extended defects in silicon from first-principles

In this thesis, metallic impurities in polycrystalline photovoltaic silicon are studied using first-principles methods. To this end iron and sodium have been chosen and investigated as distinct representative elements. Nowadays, most silicon-based solar cells are produced from polycrystalline silicon which contains both large concentrations of impurity atoms and large densities of extended defects such as grain boundaries and dislocations. The detrimental influence of iron impurities on the efficiency of silicon-based solar cells is known for long time. In addition, iron atoms interact with extended defects. The electrical properties of those extended defects can be influenced by the segregated iron impurities. The goal of the first part of this work is to extend the knowledge of this interaction in three different scenarios. With the help of atomistic simulations, the influence of large-angle grain boundaries, mechanical stress and strain fields, and dislocations on iron impurities is studied. It turns out, that mechanical strain fields which are caused for instance by extended defects do not lead to an accumulation of iron atoms in specific regions but instead alter their diffusion properties significantly. In contrast, the segregation of iron impurities is possible in some large-angle grain boundaries and in the cores of all considered dislocations. In all cases the segregation of iron strongly influences the electronic properties of the extended defects. The second part of the current work is dedicated to the recently discovered potential-induced degradation of solar cells and to sodium-decorated stacking faults which are suspected to play an important role in this context. From experimental studies it is assumed that such novel stacking faults lead to a local short-circuit of the pn-junction of the silicon and thus lower drastically the efficiency of the solar cell. In this work, an atomistic model of a sodium-decorated stacking fault is created and its electronic and thermodynamic properties are studied. The decoration of sodium leads to a large widening of the stacking fault. The elongated silicon bonds induce electrically active defect states in the band gap which can cause the short-circuiting of the pn-junctions. In addition, the thermodynamic stability of the sodium-decorated stacking fault is studied with special care of the material systems (anti-reflection coating, silicon oxide layer, etc.) that are relevant to the problem of potential-induced degradation.

In der hier vorliegenden Dissertation werden metallische Verunreinigungen in polykristallinem Photovoltaik-Silizium mit quantenmechanischen First-Principles-Methoden studiert. Dafür werden Eisen und Natrium als unterschiedliche Vertreter-Elemente ausgewählt und untersucht. Heutzutage werden siliziumbasierte Solarzellen vorwiegend aus kostengünstigem polykristallinem Silizium hergestellt, welches sowohl eine hohe Konzentration von Fremd\-atomen als auch eine große Dichte von ausgedehnten Defekten, beispielsweise Korngrenzen oder Versetzungen, beinhaltet. Seit langer Zeit ist bekannt, dass vor allem Eisenverunreinigungen zu hohen Effizienzverlusten in siliziumbasierten Solarzellen führen. Eisenatome wechselwirken mit ausgedehnten Defekten im Silizium, was zur Einlagerung von Eisenatomen führen kann. Diese Einlagerung ändert die elektronischen Eigenschaften der ausgedehnten Defekte. Ziel des ersten Teils der Arbeit ist es, diese Wechselwirkungen in drei unterschiedlichen Szenarien besser zu verstehen. Dazu werden mithilfe atomistischer Simulationen die Wirkung von Großwinkelkorngrenzen, mechanischen Spannungs- bzw. Dehnungsfeldern und Versetzungen mit Eisenverunreinigungen untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass mechanische Dehnungsfelder nicht zu einer Anhäufung von Eisenatomen in bestimmten Bereichen führen, jedoch deren Diffusion maßgeblich beeinflussen. Im Gegensatz dazu zeigt sich, dass nur in manchen Großwinkelkorngrenzen eine Einlagerung von Eisenatomen möglich ist. Bei allen in dieser Arbeit betrachteten Versetzungskernen kommt es zu einer Einlagerung von Eisen. Es zeigt sich insgesamt, dass eingelagertes Eisen die elektrischen Eigenschaften der ausgedehnten Defekte stark beeinflusst. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der kürzlich entdeckten Potential-induzierten Degradation von Solarzellen und den in diesem Zusammenhang auftretenden Natrium-dekorierten Stapelfehlern im Silizium. Experimentelle Studien kamen zur Annahme, dass neuartigen Defekte den pn-Übergang im Silizium lokal kurzschließen und somit die Effizienz der Solarzelle drastisch verringern. In der hier vorliegenden Arbeit wird ein atomistisches Modell eines Natrium-dekorierten Stapelfehlers entwickelt und dessen elektrische und thermodynamische Eigenschaften untersucht. Dabei stellt sich heraus, dass die Einlagerung von Natrium zu einer starken Aufweitung des Stapelfehlers führt. Die dabei verlängerten Silizium-Bindungen führen zu elektrisch aktiven Defektzuständen in der Bandlücke des Siliziums, was ein Kurzschließen des pn-Übergangs ermöglicht. Darüber hinaus wird die thermodynamische Stabilität des Defekts - insbesondere im Hinblick auf die für die Potential-induzierte Degradation relevanten Materialsysteme (Antireflexionsschicht, Siliziumoxidschicht, etc.) - untersucht.