晶体硅太阳能电池中通过非易失性铁电Hf0.5Zr0.5O2实现界面调控的场效应钝化机理研究

《Nano Energy》：Mechanistic Insights into Field-Effect Passivation via Non-Volatile Ferroelectric Hf 0.5Zr 0.5O 2 for Interface Modulation in Crystalline Silicon Solar Cells

　　

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  铁电HZO实现非易失性场效应钝化。
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  HZO极化诱导约10^13?cm^-2等效界面电荷。
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  极化HZO可逆调控晶硅能带弯曲与正面载流子选择性。
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  器件模拟预测在1.25%金属化率下效率可达26.91%。
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  强场效应钝化拓宽界面缺陷容忍度。

引言

作为主流光伏技术，晶硅（c-Si）太阳能电池日益依赖对界面能带结构和内建电场的精确调控，以实现卓越的载流子选择性和能量转换效率[1], [2], [3]。随着c-Si电池效率逼近理论Shockley–Queisser极限，进一步性能提升日益受限于界面非辐射复合损耗，制约了开路电压（V_oc）和填充因子（FF）[3], [4], [5]。克服这一限制需要功能性介电材料将载流子提取与c-Si表面钝化解耦，这可分为化学钝化和场效应钝化两类[6]。化学钝化通过减少c-Si表面的悬挂键来降低界面态密度（D_it）[7], [8], [9]，一个典型例子是隧穿氧化钝化接触（TOPCon）电池中的超薄SiO_x隧穿层[10]。场效应钝化则利用固定电荷（Q_f）或界面偶极诱导c-Si表面能带弯曲，重构载流子分布并降低载流子复合[11]。例如，具有固有高负Q_f的Al₂O₃可有效抑制TOPCon电池正面界面处的电子浓度[12], [13], [14]。在D_it相当的条件下，场效应钝化的质量高度依赖于界面Q_f[15], [16], [17]。更高的Q_f诱导更强的能带弯曲，增强特定载流子的积累或排斥，从而降低表面复合速率（SRV）[18], [19], [20]。然而，如图1所示，由于材料固有特性，常用介电材料（如Al₂O₃[16], [21]和SiN_x[22]）的Q_f通常仅在10¹¹至10^12?cm^?2范围内。由于Q_f较低，传统介电材料诱导的界面空间电荷区相对有限，限制了能带弯曲幅度和场效应钝化能力。因此，探索具有更高Q_f的功能材料是进一步提升场效应钝化质量的有效途径。

受铁电场效应晶体管（FeFET）中由铁电极化引起的可调硅表面电位的启发[23]，利用铁电材料的剩余极化（P_r）促进c-Si太阳能电池的场效应钝化，已成为克服传统介电材料电荷密度限制的可行方案[24], [25]。典型铁电介电材料如P(VDF-TrFE)[26]、Pb(Zr,Ti)O₃[27]和Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）[28], [29], [30]的P_r通常在10至25 μC cm^?2之间，转化为界面极化等效电荷密度（N_pol = P_r/e）约为10^14?cm^?2量级，优于Al₂O₃等传统介电材料的固有Q_f（图1）。尽管FeFET已证明铁电极化可有效调控相邻半导体的表面电位和载流子浓度，但该静电原理很少被扩展至光伏界面的场效应钝化中。在此背景下，HZO层作为铁电介电层而非载流子导通层发挥作用。极化引起的半导体表面电位变化可重新分布c-Si界面附近的电子和空穴，从而抑制界面复合。Kang等人[25]已证明有机铁电薄膜中的极化电荷可在局部接触结构中诱导能带弯曲，但此类聚合物的本征稳定性在复杂光伏工作环境中的稳定性常常受损。此外，其极化通常依赖于非接触式高压电晕放电，这使得封装后无法动态调整极化状态，限制了实际应用。, [5]

在本研究中，我们提出了一种利用超薄无机铁电HZO薄膜构建强场效应钝化层的策略，其P_r的长期稳定性已得到验证[31]。重要的是，HZO兼容原子层沉积（ALD）工艺，可集成到现有硅太阳能电池生产线中。通过引入高密度等效电荷增强场效应钝化，极化HZO可促进电子和空穴在相应电极处的分离与积累，从而在c-Si太阳能电池中建立高效的载流子选择性接触（图1）。通过W/HZO/c-Si体系，实验观察到稳定可逆的极化特性，并通过技术计算机辅助设计（TCAD）[32]模拟量化为等效界面固定电荷密度（Q_f,eq）。结果表明，诱导的内建电场严格决定了c-Si界面能带弯曲的幅度和极性。本研究在阐明铁电极化在光伏器件界面控制中的机制之外，还为下一代太阳能电池中集成非易失性介电材料以设计缺陷容忍的双极性接触建立了可扩展的物理框架。

章节摘要

结果与讨论

沉积HZO薄膜的晶体结构通过掠入射X射线衍射（GIXRD）进行了表征。图1a中的二维（2D）衍射图案在最低2θ角处显示出特征衍射环，具有高连续性且在整个方位角范围内强度分布均匀[33], [34], [35], [36]。这种典型的Debye–Scherrer环特征表明HZO薄膜为多晶结构，晶粒随机取向且无择优取向。

结论

总之，本研究系统展示了铁电HZO薄膜的剩余极化作为c-Si太阳能电池高效非易失性场效应钝化层的应用。利用W/HZO/c-Si结构，实验验证了稳定可逆的极化特性，并将其定量参数化为Q_f,eq。我们揭示，这一大规模极化诱导电场决定了能带弯曲的幅度和极性。

器件制备与极化

HZO的钝化效果在具有不同掺杂分布、专为特定表征定制的直拉单晶（CZ）c-Si（100）晶圆上进行了评估（参数详见补充信息表S2）。具体而言，重度掺杂衬底（n-Si为1 × 10²⁰，p-Si为1 × 10²¹ cm^?3）用于P–E测量以最小化串联电阻；中度掺杂衬底（n-Si为1 × 10¹⁶，p-Si为1 × 10^17?cm^?3）用于C–V表征。

CRediT作者贡献声明

Siyi Liu：撰写——初稿、软件、形式分析、数据管理、概念构思。Jianqiao Wang：撰写——初稿、软件、形式分析、数据管理、概念构思。Wei Tang：方法学。Peng Wang：资源、方法学、资金支持获取。Yongxin Zhu：方法学。Dongdong Li：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法学、资金支持获取、形式分析。Xiaofei Xu：形式分析。Wangfeng Miao：形式分析。Yuner Luo：形式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到中国国家重点研发计划（编号2022YFB4200204）和中国国家自然科学基金（编号62574185）的支持。作者感谢上海科技大学软物质纳构平台以及上海科技大学材料与器件实验室（SMDL）在光刻、ICP刻蚀和椭偏仪表征方面的协助。作者感谢上海同步辐射装置BL03HB光束线（https://cstr.cn/31124.02.SSRF.BL03HB) 提供的支持。

Siyi Liu目前在中国科学院上海先进技术研究院攻读博士学位，导师为Dongdong Li教授和Yongxin Zhu教授。研究聚焦于高效太阳能电池，特别是晶硅太阳能电池的钝化接触、减反射薄膜的制备与光学模拟，以及Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜的铁电特性。

Siyi Liu|Jianqiao Wang|Yanhao Wang|Xiaofei Xu|Wangfeng Miao|Yuner Luo|Mengwei Si|Wei Tang|Peng Wang|Yongxin Zhu|Dongdong Li