【摘 要】
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硅在地球上是含储量较大的元素种类之一,且由于其具备光伏转换特性,用其制备的太阳能电池拥有光电转换效率高、性价比高等优点,因此多晶硅仍具有广阔的发展前景,是目前乃至未来光伏产业中相关研究的一个热门光伏材料。本文简要概述硅的性质及研究意义、硅晶体工业上的生长技术,详细介绍分子动力学方法及微观结构表征方法,重点模拟在不同条件下的硅诱导式结晶过程,以深入探究不同晶面和不同冷速下硅诱导式结晶过程和微观组织结
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硅在地球上是含储量较大的元素种类之一,且由于其具备光伏转换特性,用其制备的太阳能电池拥有光电转换效率高、性价比高等优点,因此多晶硅仍具有广阔的发展前景,是目前乃至未来光伏产业中相关研究的一个热门光伏材料。本文简要概述硅的性质及研究意义、硅晶体工业上的生长技术,详细介绍分子动力学方法及微观结构表征方法,重点模拟在不同条件下的硅诱导式结晶过程,以深入探究不同晶面和不同冷速下硅诱导式结晶过程和微观组织结构演变。本文采用适合描述硅凝固过程的Stillinger–Weber势函数并运用分子动力学方法对不同晶面不同冷速下硅诱导式结晶过程进行模拟。将所得结果运用径向分布函数、原子平均能量、键角分布函数、Voronoi多面体指数、位错提取算法及三维可视化等手段进行仔细分析与表征。不同晶面硅诱导式结晶过程中,在低冷速时,三个晶面诱导式结晶体系最终状态均为晶态。冷速升高,三个晶面诱导式结晶体系均为晶态和非晶态共存的状态。同一冷速下,在固-液界面移动速率中（1 0 0）晶面最快,（1 1 0）晶面其次,（1 1 1）晶面最慢。（1 0 0）晶面和（1 1 0）晶面的固-液界面整体上呈平面状向前移动,微观上呈现原子级锯齿状,而（1 1 1）晶面的固-液界面上易出现凹陷,会阻碍结晶正常进行。（1 0 0）晶面和（1 1 0）晶面诱导式结晶过程中只出现了立方金刚石结构。但是（1 1 1）晶面诱导式结晶过程中形成了立方金刚石和六角金刚石两种结构,并且生成的六角金刚石结构原子数目与冷速无明显联系。立方金刚石结构和六角金刚石结构的原子成竞争性关系,其中立方金刚石结构原子数目更多。冷却速率对硅诱导式结晶速率影响明显。同等冷速条件下结晶速率有（1 0 0）晶面>（1 1 0）晶面>（1 1 1）晶面。三个晶面中对冷速变化敏感度最为强烈的是（1 1 1）晶面,其次是（1 1 0）,最不敏感的是（1 0 0）晶面。不同冷速下硅诱导式结晶过程中皆有（1 0 0）晶面、（1 1 0）晶面形成的原子缺陷较少,而（1 1 1）晶面形成的原子缺陷较多。三种晶面种（1 1 1）晶面在所有冷速下都形成了位错,且位错数量与冷速之间的关系为弱相关。位错类型绝大多数为1/6<1 1 2>不全位错,只有少数1/2<1 1 0>全位错。整体上体系形成位错几率有（1 1 1）晶面>（1 1 0）晶面>（1 0 0）晶面。因此（1 0 0）晶面、（1 1 0）晶面要比（1 1 1）晶面更适合硅诱导式结晶,更适用于形成晶体质量高的硅晶体。
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