基于分子动力学模拟测试硅基太阳电池表面粗糙度的方法

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1.本发明涉及薄膜制备领域，具体涉及一种基于分子动力学模拟硅基异质结太阳电池钝化层(氢化非晶硅)生长时表面粗糙度的测试方法。

背景技术：

2.制备生长薄膜的技术包括化学气相沉积(cvd)等离子体化学气相沉积(pcvd)和原子层沉积(ald)等技术。在沉积过程中，由于不均匀的热膨胀和撞击原子到沉积薄膜表面的动量转移等原因，会导致薄膜质量不佳。薄膜表面形貌影响薄膜的光学性能、电学性能、耐腐蚀性能和抗氧化性能。硅基异质结太阳电池钝化层薄膜生长时候的致密性(即薄膜质量)影响电池的转换效率。原子分布对薄膜与衬底之间的结合强度有显著影响。薄膜的生长是一个极为复杂的非平衡态的分子动力学过程，薄膜表面粗糙度是薄膜生长过程中微观结构的宏观表现，只有从原子、分子层面了解了薄膜的成形机理，揭示薄膜生长过程中表面粗糙度的生长机理，才能实现从根本上调控薄膜表面粗糙度的目的。实验技术只允许研究表征薄膜结构特性的一些积分参数，详细研究薄膜的结构特性仍然是现代薄膜光学技术面临的一大挑战。
3.原子水平上研究薄膜生长的微观机制对认识薄膜生长的物理本质、了解表面原子的微观物理过程和化学过程对薄膜生长模式、表面界面形貌和微观状态的影响，以及建立薄膜的微观状态与宏观性能之间的内在联系都具有极为重要的科学意义。因此分子动力学模拟对于研究薄膜生长的微观机制是必不可少的理论工具。

技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于分子动力学模拟硅基异质结太阳电池钝化层生长时表面粗糙度的测试方法，具体为利用分子动力学模拟sih3分子沉积在光滑晶体硅后表面粗糙度的测试方法。该方法能够基于开源软件lammps和可视化软件ovito，结合粗糙度公式，从而计算得出薄膜生长的粗糙度大小。此方法是理论结合实际操作，该方法克服了理论上的繁琐不能直观勘测的弊端，为实验上薄膜的制备提供了依据。本发明以硅基异质结太阳能电池钝化层的制备为例，即在光滑的晶体硅表面生长氢化非晶硅薄膜为例。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.基于分子动力学模拟测试硅基太阳电池表面粗糙度的方法，该方法主要包括如下步骤：
7.本发明通过lammps软件中“deposit”沉积命令对sih3基团分子进行向下沉积，作为沉积分子，将sih3基团分子沉积到光滑的晶体硅基底上。硅基异质结太阳电池的结构是由晶体硅层(c-si)和钝化层(氢化非晶硅(a-si:h))及掺杂层等几部分构成的，本发明主要模拟晶硅层上沉积氢化非晶硅层后表面的粗糙度变化。氢化非晶硅层的生成是通过沉积sih3分子得到的，将sih3分子沉积到光滑的晶体硅上面，形成晶硅和氢化非晶硅界面，由于
沉积的过程会导致生成的氢化非晶硅薄膜不致密，薄膜质量差出现表面粗糙度，因此需要探究最佳的表面粗糙度，有利于提高薄膜质量，提升硅基太阳电池效率。更具体地说，即采用分子动力学模拟中使用沉积作为加载工具，根据牛顿第二定律，原子的速度会发生变化，原子间的作用力会使原子生长在晶体硅上。其中，本发明采用混合势函数(lj势函数和tersoff势函数)描述晶体硅和sih3基团分子中原子和原子的相互作用，混合势函数的使用，更加适用于分子模型的沉积与晶体硅系统，因此数值模拟钝化层薄膜生长的粗糙度更加准确。
8.所述的方法包含以下步骤：
9.步骤1：利用materials studio(ms)软件建立出sih3基团分子结构及晶体硅基底模型，通过lammps软件工具包msi2lmp程序将建立好的sih3基团分子结构及晶体硅基底模型的坐标文件转换为lammps软件可识别的数据文件。构建0.8nm*1.5nm*5nm的模拟盒子，模拟盒子中的晶体硅原子个数为416个，晶体硅选用结构最稳定的(111)面，和实验保持一致，其中真空层高度为3nm，作为沉积分子的空间区域。使用lammps软件的编写程序实现硅基太阳电池中钝化层结构(氢化非晶硅)生长的分子动力学模拟计算。
10.步骤2：晶体硅作为基底，基底上面是几纳米的真空层，sih3分子作为沉积物质，从真空层的顶部突现然后沉积到基底上面；lammps软件中首先设定晶体硅的模拟体系，首先设定模拟初始参数并使用三维模拟模式，计量单位选择metal格式，设置模拟空间三个方向边界均为周期边界，设定原子类型为full格式，原子之间的键类型为harmonic格式，设定硅原子和氢原子的质量；设定模拟体系的初始坐标和初始速度并选定模拟时间步长。
11.步骤3：选择原子间相互作用势，使用混合势函数即多体势tersoff势函数和两体势lj势函数来描述硅原子与硅原子、硅原子与氢原子的相互作用即pair_style类型设定为hybrid tersofflj/cut 10。选用有限差分方法velocity-verlet算法进行模拟，计算中的时间步长设置为0.2飞秒，时间步长的减小能够增加模拟的精确性。
12.步骤4：fix是lammps软件中的命令，其功能就是对某个组的粒子施加某种操作。选择fix deposit命令是分子或原子沉积最常用的命令。每隔10000步(即0.002ns)在模拟盒子的真空层插入一个分子，一共插入了600个分子，但是由于在模拟过程中会有分子从基底脱离飞入真空层，因此在模拟盒子真空层的顶端设置一个删除区域，将脱离基底的分子迅速删除，以保证其不会影响后续分子沉积；lammps软件中的thermo_modify命令实现。需要注意的是，在模拟过程中由于会不断有分子插入，因此，越到模拟后期lammps软件运行速度会下降的有些严重，对服务器的性能要求较高。
13.步骤5：将晶体硅基底的模拟体系自上而下分为自由区、恒温区、固定区三部分，边界施加约束条件对固定区使用命令region命令进行固定，自由区则使原子完全在牛顿力学规律下自由运动，对晶体硅基底和沉积分子用group命令进行分组，用于沉积过程的准确辨认。
14.步骤6：晶体硅基底模型施加随机初速度，进行能量最小化计算，确定晶体硅基底模型的能量最优结构也即能量最稳定的机构。
15.步骤7：对晶体硅基底模型整体采用nvt系综进行驰豫，驰豫中的控温方法采用nose-hoover方法，将温度控制在475k(与实验生长条件一致)，保证晶体硅基底上的生长氢化非晶硅的温度与实验中相同。
16.步骤8：基于以上步骤4、5、6、7获取模拟体系的最终数据，将含有原子坐标信息的输出文件导入到ovito可视化软件中，获取不同时刻薄膜沉积的快照及最终薄膜生长的形貌图。
17.步骤9：基于步骤8提取的数据，需要对统计的信息等进行后处理，在ovito软件中获取生长分子原子的个数及原子坐标参数；利用粗糙度rms公式，获取生长分子原子的个数及原子坐标参数；利用粗糙度rms公式，统计氢化非晶硅薄膜生长后表面的原子个数即sih3沉积下来以后生成非晶硅薄膜的原子个数及生长原子平均高度值与生长原子的z轴值即sih3沉积下来以后生成非晶硅薄膜的原子个数，从而计算出氢化非晶硅薄膜表面的粗糙度大小。n表示基底上沉积原子数，zi表示第i个原子的z坐标，表示所有沉积原子z坐标的平均值。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了薄膜生长期间表面形貌的探测，通过改变沉积条件勘测薄膜生长的状况，为实验制备薄膜提供了理论依据，同时实现了控制薄膜表面光滑度的计算模拟手段。
19.本发明主要具有以下优点：
20.1)本发明提供的分子动力学模拟计算薄膜生长时表面粗糙度大小，不但可以有效减少因实验的带来成本与消耗，而且还可以模拟因相关设备和材料的限制等无法准确进行和完成的实验。
21.2)通过materials studio软件可以建立具有缺陷的基底晶硅模型(例如凸起的晶硅基底或者凹陷的基底、带有粗糙度的基底模型)，通过改变沉积时间、沉积入射能等起到修复表面粗糙度的作用，本发明基于分子动力学模拟方法亦可得到分子沉积生长后薄膜表面粗糙度大小，为薄膜制备提供理论依据。
22.3)通过materials studio软件可以建立不同的分子结构、可以模拟有机大分子、有机长链分子、小分子等多种分子结构进行不同基底下的薄膜生长的沉积，通过分子动力学模拟方法亦可得到其生长后薄膜表面粗糙度的大小。
附图说明
23.图1为本发明优选实施案例提供的分子动力学模拟流程图。
24.图2为本发明分子沉积到基底上不同时刻的演化图。t＝0ps，初始结构图0.8nm*1.5nm*5nm的模拟盒子，真空层3nm，作为初始基底模型，t＝2ps，为真空层出现了分子，分子的出现是设定好的在离真空层最上面的0.5nm处自动插入生成，然后通过沉积命令下沉积到基底硅上。
25.图3为本发明分子沉积到基底时的直观图。
26.图4为本发明在带有缺陷的晶体硅基底上分子沉积后薄膜生长的表面粗糙度计算的结果图，左图为rms＝1nm的初始建模结构。
具体实施方式
27.以下由特定的具体实施案例对本发明作进一步说明，本发明具体实施例为基于分子动力学模拟硅基太阳电池钝化层生长时表面粗糙度的测试方法。如图1为分子沉积在晶体基底上的分子动力学模拟流程图：
28.1)利用materials studio(ms)软件建立出sih3分子结构及晶体硅基底模型，通过lammps工具包中msi2lmp程序将建立好的sih3分子结构及晶体硅基底的坐标文件转换为lammps可识别的数据文件。使用lammps编写程序实现对太阳电池钝化层生长的分子动力学模拟计算。
29.2)设定模拟初始参数，使用三维模拟模式，计量单位选择metal格式，设置模拟空间三个方向边界均为周期边界，设定原子类型为full格式，键类型为harmonic格式，设定硅原子和氢原子的质量；设定模拟体系的初始坐标和初始速度，选定合适的模拟时间步长。
30.3)选择合适的原子间相互作用势，使用混合势函数即多体势tersoff势函数和两体势lj势函数来描述硅原子与硅原子，硅原子与氢原子的相互作用，即pair_style类型设定为hybrid tersofflj/cut 10，计算时，硅晶体基底模型分为恒温区、自由区、固定区三部分，固定区使用命令region命令进行固定。模拟中选用了有限差分方法velocity-verlet算法，因此计算中的时间步长设置为0.2飞秒，时间步长的减小可以增加模拟的精确性。
31.4)fix是lammps中的命令，其实现功能就是对某个组的粒子施加某种操作。选择fix deposit命令是做分子(原子)沉积最常用的命令。每隔10000步(即0.002ns)在系统真空区域插入一个分子，一共插入了600个分子，但是由于在模拟过程中会有分子从基底脱离飞入真空层，因此我们在模拟盒真空层顶端设置一个删除区域，将脱离基底的分子迅速删除，以保证其不会影响后续分子的沉积。用到了thermo_modify命令。需要注意的是，在模拟过程中由于会不断有分子插入，因此越到模拟后期系统运行速度会下降的有些严重，对服务器的性能要求较高。
32.5)将基底晶体硅模型自上而下分为自由区、恒温区、固定区三部分，边界施加约束条件对固定区使用命令region命令进行固定。
33.6)整体模型施加随机初速度，进行能量最小化计算，确定模型的能量最优结构。
34.7)对模型整体采用nvt系综进行驰豫，驰豫中的控温方法采用nose-hoover方法，将温度控制在475k(与实验生长条件一致)，模拟不受温度影响。
35.8)将含有原子坐标信息的输出文件导入到ovito可视化软件里面察看，获取不同时刻薄膜沉积的快照及最终的薄膜生长的形貌图。本发明中计算出来的不同时刻的快照图如图2及分子沉积直观图如图3。
36.9)根据需要对统计的信息等进行后处理。在ovito软件中获取生长分子原子的个数及原子坐标参数，利用粗糙度(rms)公式，统计薄膜生长后表面的原子个数及生长原子平均高度值与生长原子的z轴值，从而计算出薄膜表面的粗糙度大小。n表示基底上沉积原子数，zi表示第i个原子的z坐标，表示所有沉积原子z坐标的平均值。rms值越大表明薄膜的表面粗糙度越高，质量越差，表面粗糙度最低，rms值也最小，说明其表面质量也最好。计算得出具有不光滑基底(即rms＝1时)表面生长薄膜后的表面粗糙度随着生长厚度的变化的粗糙度见图4。
37.综上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做的一些变换，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：

1.基于分子动力学模拟测试硅基太阳电池表面粗糙度的方法，其特征在于：通过lammps软件中“deposit”沉积命令对sih3基团分子进行向下沉积，将sih3作为沉积分子沉积到光滑的晶体硅基底上；即采用分子动力学模拟中的沉积命令作为加载工具，根据牛顿第二定律，沉积分子沉积后构成分子的原子的速度发生变化，原子间的作用力会使sih3基团分子生长于晶体硅基底上，即晶体硅基底上生长为氢化非晶硅薄膜；采用混合势函数描述晶体硅基底和sih3基团分子中原子和原子的相互作用。2.根据权利要求1所述的基于分子动力学模拟测试硅基太阳电池表面粗糙度的方法，其特征在于，所述的方法包含以下步骤：步骤1：利用materials studio软件建立出sih3基团分子及晶体硅基底模型；通过lammps软件中的msi2lmp程序，将建立的sih3基团分子及晶体硅基底模型的坐标文件转换为lammps软件可识别的数据文件；构建模拟盒子，模拟盒子中的晶体硅原子个数为416个，晶体硅基底选用结构最稳定的(111)面；模拟盒子的真空层为沉积分子的空间区域；步骤2：晶体硅基底上是几纳米的真空层，sih3基团分子作为沉积物质，从真空层的顶部突现插入然后沉积；lammps软件中首先设定晶体硅基底的模拟体系，进而设定模拟初始参数并使用三维模拟模式，计量单位选择metal格式，设置模拟空间三个方向边界均为周期边界，设定原子类型为full格式，原子之间的键类型为harmonic格式，设定硅原子和氢原子的质量；设定模拟体系的初始坐标和初始速度并选定模拟时间步长；步骤3：选择原子间相互作用势，使用混合势函数即多体势tersoff势函数和两体势lj势函数来描述硅原子与硅原子、硅原子与氢原子的相互作用，即lammps软件中的pair_style类型设定为hybridtersofflj/cut 10；步骤4：lammps软件中选择fix deposit命令，每隔10000步在模拟盒子的真空层插入一个sih3基团分子，一共插入600个sih3基团分子；基于lammps软件中的thermo_modify命令，在模拟盒子真空层顶端设置一个删除区域，将脱离晶体硅基底的分子删除，以保证其不会影响后续sih3基团分子的沉积；步骤5：将晶体硅基底的模拟体系自上而下分为自由区、恒温区、固定区三部分，边界施加约束条件对固定区使用命令region命令进行固定，自由区则使原子完全在牛顿力学规律下自由运动，对晶体硅基底和沉积分子用group命令进行分组，用于沉积过程辨认；步骤6：晶体硅基底施加随机初速度，进行能量最小化计算，确定晶体硅基底的能量最优结构也即能量最稳定的机构；步骤7：对晶体硅基底整体采用nvt系综进行驰豫，驰豫中的控温方法采用nose-hoover方法，将温度控制在475k；步骤8：基于以上步骤4、5、6、7获取模拟体系的最终数据，将含有原子坐标信息的输出文件导入到ovito可视化软件中，基于ovito可视化软件获取不同时刻薄膜沉积的快照及最终薄膜生长的形貌图；步骤9：基于步骤8的形貌图，在ovito可视化软件中获取生长分子原子的个数及原子坐标参数；利用粗糙度rms公式，统计氢化非晶硅薄膜生长后表面的原子个数即sih3沉积下来以后生成氢化非晶硅薄膜的原子个数及生长原子平均高度值与生长原子的z轴值即sih3沉积下来以后生成氢化非晶硅薄膜的原子个数，从而计算出氢化
非晶硅薄膜表面的粗糙度大小；n表示基底上沉积原子数，z
i
表示第i个原子的z坐标，表示所有沉积原子z坐标的平均值。

技术总结

本发明公开了基于分子动力学模拟测试硅基太阳电池表面粗糙度的方法，通过Lammps软件中“deposit”沉积命令将SiH3基团分子作为沉积对象，使SiH3基团分子沉积到光滑的晶体硅基底上；即采用分子动力学模拟中的沉积命令作为加载工具，根据牛顿第二定律，分子沉积后构成分子的原子的速度会发生变化，原子间的作用力会使SiH3分子生长在晶体硅上，即晶体硅上面生长了氢化非晶硅薄膜；采用混合势函数描述晶体硅和SiH3分子中原子和原子的相互作用。该方法基于开源软件Lammps和可视化工具Ovito，在可视化结果分析后结合粗糙度公式，从而计算得出晶硅上面生长的氢化非晶硅薄膜表面粗糙度大小，为实际中制备薄膜所需要的条件提供理论指导。为实际中制备薄膜所需要的条件提供理论指导。为实际中制备薄膜所需要的条件提供理论指导。