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太阳能光伏是重要的新能源,已经成为我国和国际上重要的高新技术产业。当前,80%以上的太阳电池都是采用晶体硅材料制备的,因此晶体硅的质量和杂质缺陷对太阳电池效率有决定性的影响。其中,金属杂质是严重影响太阳电池效率的主要因素之一,而铁(Fe)则是危害最大的金属杂质。铁属于快扩散杂质,它在原材料的制备、晶体生长、电池工艺过程中都会引入,并能和晶体中的掺杂剂相互作用,或者引入深能级缺陷,从而严重影响太阳电池的性能。所以,研究太阳电池用晶体硅材料中铁杂质及其相关复合体的行为对于控制硅晶体质量、提高太阳电池性能具有重要的理论意义,并对实际生产具有指导意义。本论文采用微波衰减光电导仪和傅里叶红外等测试等技术,主要研究了晶体硅中的铁及铁-受主相关的复合体的性质,并结合第一性原理的计算,取得了以下创新性的结果：(1)根据间隙铁(Fei)和A之间反应的动态方程,建立了FeA的分解速率常数同形成速率常数、Fei的平衡浓度之间的关系。根据速率常数和温度之间的关系得到了FeA对的形成激活能和分解激活能,从而完善了FeA对反应的能量图。通过定量研究Fei和受主(A)之间的反应,明确了p型硅中FeA对的形成激活能、结合能和分解激活能以及相关系数。(2)通过研究强光分解铁-硼(FeB)对的动力学过程,发现了FeB对光分解含有快分解和慢分解两个过程,结合复合增强缺陷理论阐明了FeB对的快、慢分解过程的机制。研究发现快分解速率常数和光强度的二次方成正比,并且和温度无关,表明FeB对中的正价间隙铁(Fei+)捕获一个电子成为中性价态的铁(Fei0),然后再通过复合增强缺陷反应使Fei-扩散离开B。而慢过程的分解速率常数和光强度成线性关系,FeB对通过多声子非辐射捕获电子或者发射空穴而处于一种高能量的非稳定状态,加上晶格场的热微扰,使得FeB对中的Fe.+拥有足够的能量直接和B分解,因此FeB的分解仅需0.21eV的激活能。快分解和慢分解都大大降低了FeB对的热分解激活能,使得FeB能在室温甚至更低的温度下分解。(3)研究了在p型硅中掺锗(Ge)对间隙铁的扩散以及对Fe-A间反应动力学行为的影响,结果表明：掺Ge提高了Fei+的扩散势垒,增加了FeA对的形成激活能和分解激活能,但掺锗并不影响FeA对的结合能。在此基础上,采用第一性原理计算,发现Ge确实提高了间隙铁的扩散势垒,并且Fei倾向于远离Ge；在晶体硅中当Ge处于B的次近邻位时,Ge-B具有稳定的结构；而较大尺寸的受主杂质Ga在硅晶体中与Ge倾向于相互分离,不易形成Ge-Ga复合体。(4)研究了BP共掺补偿p型晶体硅中Fe-A相关复合体的性质,结果表明：P掺杂降低了Fei+和负价替代硼(Bs-)之间的表观结合能,主要的原因是B-P共掺晶体中形成了Fei+(Bs-Ps)复合体。通过第一性原理计算发现,Ps和Bs可以结合形成复合体,其稳定结构为P处于Bs的次近邻位；Fei+和(Bs-Ps)o形成的复合体的结合能比Fei+Bs对的结合能略低0.1eV。(5)首次发现了n型补偿硅中也存在Fe-B相关的复合体,并通过理论计算分析了n型补偿硅中FeB对存在的可能性。通过光注入在n型补偿硅中产生光生缺陷,并和p/n型非补偿硅中的光生缺陷进行了比较,发现该光生缺陷的行为和p型硅中FeB对的光分解行为一致,而n型非补偿硅中并不产生光生缺陷。第一性原理计算表明Fei和P不形成复合体,而Fei0和Bs-可以形成复合体,表明了n型补偿硅中在没有库伦力的作用下Fei0和Bs-也可形成对。同时,根据n型补偿硅中Fei0Bs-对的形成动力学行为,定量确定了n型补偿硅中零价态间隙铁Fei0的扩散势垒,以及B对Fei0的捕获半径。