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Ab initio study of defects in amorphous silicon nitride

Leif Eric Hintzsche

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)

Betreuer*in

Georg Kresse

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DOI

10.25365/thesis.35691

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29486.30800.835554-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Amorphes Siliziumnitrid (a-SiN:H) wird üblicherweise aus zwei Gründen auf der Oberseite von kommerziellen Solarzellen verwendet: es dient als Antireflektionsschicht und es passiviert den darunterliegenden kristallinen Siliziumwafer (c-Si). Während die erste Eigenschaft hauptsächlich durch die Stickstoffkonzentration beeinflusst wird, ist die zweite stark von der Defektdichte im Bulk (a-SiN:H) und an der Grenzfläche (c-Si/a-SiN:H) abhängig. Zum Beispiel können elektronische Defektzustände in der Mitte der Bandlücke zu Verlusten von Ladungsträgern führen, indem sie Ladungen einfangen oder zu Shockley-Read-Hall-Rekombinationen führen. Diese Einfang- und Rekombinationszentren reduzieren die Qualität der Passivierung an der Grenzfläche und damit die gesamte Effizienz der Solarzelle. Die Passivierung wird andererseits durch eine fixierte, positive Ladung an der Grenzfläche erhöht, die Elektronen anzieht und Löcher abstößt. Diese Passivierung durch ein elektrisches Feld wird in der Regel durch positiv geladene, dreifach koordinierte Si Atome erklärt (K+ Defekte). Es ist klar, dass ein gutes Verständnis von Defekten zwingend notwendig ist, um die Effizienz von Solarzellen zu optimieren. Jedoch is die Untersuchung der Defekte aus zwei Gründen besonders herausfordernd. Erstens werden elektronische Defekte durch quantenmechanische Effekte verursacht. Zweitens sind die strukturellen Eigenschaften auf atomarer Ebene durch die ausschließliche Verwendung von experimenteller Methoden nicht direkt erfaßbar. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des a-SiN:H Bulk und der c-Si/a-SiN:H Grenzfläche mit einem groß angelegtem ab initio Molekulardynamik Ansatz. Dabei werden große Ensemble von Bulk- und Grenzflächenproben erzeugt, indem viele unterschiedliche Modellstrukturen von der Schmelze in den amorphen Zustand gekühlt werden. Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften werden gemittelt und die Defektzustände werden mittels einer automatischen Routine ausgewertet. Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Materialzusammensetzungen a-Si3N3:5:H and c-Si/a-Si3N3:5:H, von denen wir galuben, dass sie am häufigsten für Solarzellen verwendet werden. Wir haben aber auch die Zusammensetzung der Bulkmaterialen und die Wasserstoffkonzentration variiert. Schließlich haben wir verschiedene Kompromisse zwischen Systemgröße, Ensemblegröße und Abkühlrate angewendet, um die Konsistenz unserer Resultate zu überprüfen. Im Allgemeinen stellen wir fest, dass die Defektkonzentration in der Bandlücke von drei Faktoren abhängt: von der Materialzusammensetzung, von der thermodynamischen Geschichte und von der Wasserstoffkonzentration. Die wichtigsten Defektklassen sind dreifach koordinierte Si Atome (K Defekte) und ideal koordinierte Si Atome mit verzerrten Si-Si Bindungen. Koordinationsdefekte sind dominant, aber in gut passivierte Proben, die nahe dem stöchiometrischen Fall sind (a-Si3N4), werden die Defekte, die von lokalen Verzerrungen verursacht werden, gleichermaßen wichtig. Das hat auch mit der Beobachtung zu tun, dass Wasserstoff Koordinationsdefekte heilen kann, aber kaum Zustände, die auf ideal koordinierten Atomen lokalisiert sind. An der Grenzfläche befinden sich die meisten Zustände in der Bandlücke innerhalb der Übergangsregion zwischen c-Si und a-SiN:H. Auf der kristallinen Seite sind die Zustände Leitungsbandzustände vom c-Si, welche über mehrerer verzerrte Si-Si Bindungen delokalisiert sind. Auf der amorphen Seite, sind die Zustände andererseits stark auf K Defekten lokalisiert. Wie auch im Bulk können diese Koordinationsdefekte von Wasserstoff geheilt werden. Zum Schluss schlagen wir das folgende Erklärungsmodell für die Bildung der fixierten, positiven Ladungsdichte an der c-Si/a-SiN:H Grenzfläche vor: Da das lokale Fermilevel von ungedoptem c-Si deutlich unter dem von a-SiN:H liegt, passt sich das Fermilevel des Heteroübergangs durch ein Ladungstransfer vom amorphen Teil zum kristallinen Teil an. Dies führt zu einem Überschuss an K+ Defekten an der Grenzfläche.

Abstract

(Englisch)

Hydrogenated amorphous silicon nitride (a-SiN:H) is commonly deposited on top of commercially available solar cells for two reasons: it serves as an anti-reflection coating (ARC) and it passivates the underlying crystalline silicon (c-Si) waver. While the first property is mainly influenced by the nitrogen concentration, the second is, additionally, highly dependent on the defect density in the a-SiN:H bulk and at the c-Si/a-SiN:H interface. For example, electronic defect states in the middle of the band gap can lead to carrier losses through charge trapping or Shockley, Read and Hall (SRH) recombination. These trapping and recombination centers reduce the passivation quality and thereby the overall cell efficiency. On the other hand, the passivation is improved by a fixed, positive charge density at the interface that attracts electrons and repels holes. This field effect passivation is usually explained by positively charged, threefold coordinated Si atoms (K+defects). It is clear that a good understanding of defects is mandatory in order to optimize the efficiency of solar cells. However, there are two facts that make defect investigations particularly challenging. First, electronic states are caused by quantum mechanical effects. Second, the structural properties at the atomic scale are not directly accessible using experimental methods only. In the present work, we examine the structural and the electronic properties of the a-SiN:H bulk and the c-Si/a-SiN:H interface using an ab initio molecular dynamics (MD) approach. Large ensembles of bulk and interface samples are generated by cooling many different model structures from the melt to the amorphous state. The structural and the electronic properties are averaged and the defect states are examined by applying an automatic routine. Our work mainly focuses on the hydrogenated, nitrogen deficient compositions a-Si3N3:5:H and c-Si/a-Si3N3:5:H, which we deem are most representative for commercial solar cell applications. However, we have varied the bulk composition and the hydrogen (H) concentration as well. Finally, we investigated different compromises between system size, ensemble size, and cooling rate to verify the consistence of our results. In general, we find that the concentration of defect states in the band gap depends on three factors: the system composition, the thermodynamic history, and the H concentration. The most important defect classes are threefold coordinated Si atoms (K defects) and ideally coordinated Si atoms with distorted Si-Si bonds. K defects are dominant, but, for well passivated samples that are close to the stoichiometric composition (a-Si3N4), defects due to local distortions become equally important. This is related to the observation that H can cure K defects, but hardly states localized at ideally coordinated, but geometrically distorted, atoms. At the interface, most gap states are located within the transition region between c-Si and a-SiN:H. On the crystalline side, these states are c-Si "conduction band like" states that are delocalized over several distorted Si-Si bonds. On the amorphous side, on the other hand, the gap states are strongly localized at K defects. As in bulk a-Si3N3:5:H, these K defects can be cured by H. For the formation of the fixed, positive charge at the c-Si/a-SiN:H interface, we suggest the following explanation. Since the local Fermi level of undoped c-Si lies well below that of a-SiN:H, the Fermi level of the heterojunction aligns by a charge transfer from a-SiN:H to c-Si. This results in an abundance of K+ defects at the interface.

Autor*innen

Leif Eric Hintzsche

Haupttitel (Englisch)

Ab initio study of defects in amorphous silicon nitride

Paralleltitel (Deutsch)

Ab initio Untersuchung von Defekten in amorphen Siliziumnitrid

Publikationsjahr

2014

Umfangsangabe

164 S. : graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Georg Kresse

Klassifikation

33 Physik > 33.66 Amorpher Zustand, Gläser

AC Nummer

AC12303911

Utheses ID

31628

Studienkennzahl

UA | 791 | 411 | |

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