Ab-initio modeling of radiation defects in Si solar cells

Abstract

Neste trabalho são estudados defeitos que são provocados por radiação e que causam a degradação do funcionamento de dispositivos tais como células solares ou detetores. São abordados, em particular, os problemas da formação de multilacunas em detetores de radiação e da degradação da eficiência de células solares baseadas em silício dopado com Boro quando expostas a luz. O documento divide-se em quatro capítulos. No primeiro capítulo é descrita a teoria do funcional da densidade que serve de base para os nossos cálculos. Os métodos e aproximações utilizados são apresentados. No capítulo dois é discutido o problema da formação de agregados de multilacunas em detetores de radiação baseados em silício. A estabilidade e atividade elétrica destes defeitos são avaliadas. Contrariamente às anteriores previsões, observamos a existência de estados localizados no gap produzidos por estas estruturas, nas suas configurações mais estáveis. Os níveis elétricos associados que foram obtidos explicam alguns dos resultados experimentais presentes na literatura. Nos capítulos três e quatro são abordados dois modelos candidatos para a explicação do problema da degradação da eficiência de células solares baseadas em silício produzido pelo método de Czochralski dopado com Boro. No capítulo três o modelo baseado no defeito BsO2i é discutido. Este modelo pressupõe a existência de um comportamento biestável do dímero de oxigénio, (O2i), que esta dependente da localização do nível de Fermi no gap. Esta bi-estabilidade permite a difusão do O2i no cristal, podendo ser capturado por átomos de Boro em posições substitucionais formando o defeito BsO2i responsável pela degradação. Os cálculos apresentados neste trabalho confirmam a existência de duas estruturas estáveis do O2i, para os estados de carga neutro e duplo positivo. Contudo, apenas foi encontrada correspondência entre os modos de vibração locais do defeito e o espectro de absorção no infravermelho para a estrutura no estado de carga neutro, dificultando a validação do modelo. No capítulo quatro é apresentado o modelo baseado no defeito BiO2i. Este último pressupõe a formação de defeitos de boro intersticial no curso do arrefecimento do cristal, que podem difundir no cristal e ser capturados por dímeros de oxigénio, formando o BiO2i. Contudo os nossos cálculos relativos à energia de formação de defeitos de boro intersticional demonstram que a formação destes defeitos nas condições supracitadas é muito improvável, excluindo este modelo.