多晶硅-金刚石结构中晶体缺陷的原子级表征及其对太阳能电池性能的影响机制研究

本研究针对多晶硅太阳能电池转换效率低的瓶颈问题，通过FIB-SEM-EBSD-STEM多尺度联用技术，首次揭示了多晶硅中孪晶(Twin)在晶界(GB)成核并向晶内延伸的原子机制，发现{111}面堆垛层错(SF)构成孪晶界(TB)，位错诱导的原子层扭曲会形成新的SF，为优化多晶硅制备工艺提供了关键理论依据。

　　

在半导体工业中，电子级多晶硅就像建筑业的钢筋水泥，是太阳能电池的核心材料。然而与单晶硅相比，多晶硅太阳能电池始终存在转换效率低的"阿喀琉斯之踵"。这个瓶颈的根源在于：定向凝固生长过程中，晶粒相互挤压产生的热应力会诱发大量晶体缺陷。虽然前人通过光学显微镜观察到孪晶、堆垛层错等缺陷，但这些缺陷如何在原子尺度形成？它们之间如何相互作用？这些问题就像蒙着面纱的谜题，制约着材料性能的提升。西安交通大学张洋团队在《Nanoscale Advances》发表的研究，首次用原子尺度的"显微镜"揭开了这些谜底。

研究人员采用黄河上游水电开发公司提供的8英寸电子级多晶硅，通过聚焦离子束(FIB)精准制备样品，结合扫描电镜-电子背散射衍射(SEM-EBSD)和像差校正透射电镜(STEM)进行多尺度表征。这种"从毫米到纳米"的观测策略，就像用Google Earth先定位城市再观察街道细节的研究思路。

多晶硅界面形貌

SEM-EBSD显示硅核呈现单晶结构，而外延基质为多晶态。有趣的是，界面处存在约400μm厚的枝状柱晶区，就像从核心"生长"出的森林。能谱(EDS)发现界面氧元素富集，这些SiO₂杂质如同播种机，加速了初期晶核形成，也为缺陷产生埋下伏笔。

硅中的孪晶结构

STEM观测到令人惊叹的景象：孪晶像梳齿般从晶界向晶内平行延伸。原子尺度分析揭示，硅的[111]面双原子层排列(ABCABC...)在应力作用下，会对称翻转形成abcc′b′a′的孪晶结构。应力分析表明，这种转变主要源于x、y方向的拉应力，而非剪切力，就像拉伸橡皮筋时出现的纹路。

孪晶的扭折与终止

最精彩的发现出现在像差校正STEM图像中：相干孪晶界(CTB)像刀切般平直，而非相干界则布满位错。当CTB遇到位错时，会发生原子层"扭麻花"式的扭曲，并分解出堆垛层错。更有趣的是，CTB能诱发非相干界面滑移，就像冰刀在冰面划出痕迹。这些2-3个原子层宽的微孪晶，如同"分子铆钉"连接着非相干界面，显著降低应力集中。

该研究首次构建了多晶硅缺陷演化的原子级图谱：氧富集界面促进晶核→晶界应力诱发孪晶→位错导致孪晶界扭曲→微孪晶协调界面应变。这些发现如同为多晶硅制备提供了"缺陷操作手册"：通过控制凝固速率减少氧掺入、优化温度梯度调控应力分布，有望将太阳能电池转换效率提升到新高度。正如研究者所言，这项工作是"从看见缺陷到理解缺陷，最终驾驭缺陷"的关键突破。