梁宗存教授，Small观点：一种新型超低功函数镧系氟化铽(TbFx)应用于高效率的免掺杂晶体硅太阳电池

第一作者：韦慧奇

通讯作者：梁宗存*

单位：中山大学

降低器件生产成本、提高转换效率是晶体硅太阳电池研发的核心诉求。在免掺杂晶体硅晶体硅太阳电池中，通过电导率不对称在电极两端分别“聚集”电子和空穴，而电极触点的载流子选择性主要受到表面钝化性能和功函数的影响。尽管DASH架构电池的制备成本极低，但相对较低的转换效率(相比商业化的硅基太阳电池)限制了其市场化，而且为人熟知的电子选择性材料LiFx的高毒性对产业化的安全性提出了挑战。因此，我们首次提出一种镧系氟化物——TbFx，其超低功函数(2.40 eV)和稀土化合物相对低毒性的特性，结合PECVD低温制备的SiOx钝化层在n-Si背面形成SiOx/TbFx/Al电子选择性接触，应用于免掺杂晶体硅太阳电池，取得了接近22%的转换效率。

近日，来自中山大学的梁宗存教授，在国际知名期刊Small上发表题为“A Novel Ultra-low Work Function TbFx for High Efficiency Dopant-free Silicon Solar Cells”的观点文章。

该观点文章提出了一种新型的电子选择材料——镧系三氟化铽(TbFx)，具有2.4 eV的超低功函数特性，其与n型c-Si (n-Si)的接触电阻(ρ_c)为≈3 mΩcm²。此外，PECVD沉积的超薄SiOx钝化层插入TbFx和n-Si之间，仅导致ρc略微增加，且SiOx/TbFx叠层消除了Al与n-Si之间的费米钉扎效应，这进一步提高了TbFx与n-Si的在全面积接触上的电子选择性。最后，SiOx/TbFx/Al电子选择性接触显著提高了晶体硅太阳电池的开路电压(Voc)，但很少影响短路电流(Jsc)和填充因子(FF)，因此峰值效率电池实现了接近22%的功率转换效率(PCE)。该研究表明，在光电器件中使用镧系元素氟化物作为电子选择材料具有很大的潜力。

Tb 3d光谱在≈1277.3 eV(Tb 3d3/2)和1242.6 eV(Tb 3d5/2)表现出两个典型的峰值，F 1s的核心水平峰值在≈685.1 eV。一方面，热蒸发的TbFx薄膜可能存在三种不同的化学价态：Tb⁴⁺,Tb³⁺和Tb²⁺，另一方面，根据三个核心峰面积提取的TbFx薄膜的化学计量显示，热蒸发的TbFx具有更多的金属性，F与Tb的原子分数为2.2，明显低于粉末来源的化学计量值3。所以TbFx薄膜成分（即x≈2.2）被确定，以及从核心层XPS分析确定的SiOx薄膜成分（即x≈1.1）通过分析二次截止电压得到的TbFx薄膜的功函数Φn-Si/TbFx≈(21.22-18.82) eV=2.40 eV。令人惊讶的是，在用氩离子蚀刻清洗之前，样品的功函数值低至2.06 eV。这表明TbFx作为晶体硅太阳能电池应用的电子选择性材料具有很大的前景。

在没有SiOx的情况下，具有n-Si/TbFx(≈2 nm)/Al的结构的提取接触电阻ρc可以达到低至3 mΩcm²，这比Al直接在n型c-Si上的接触要低三个数量级以上。实现的低接触电阻可能归因于：i）因为界面上的载流子导电性不对称，TbFx/Al形成的超低功函数对电极有重要影响，，ii）插入的TbFx薄膜使n-Si与金属Al接触不再紧密，否则会诱发硅带隙内的能量状态。在引入了SiOx层的样品中，测SiOx/TbFx与n-Si的ρc被提取为15±5 mΩcm²，这表明电子可以通过隧穿超薄的SiOx而产生良好的欧姆接触。

通过聚焦离子束技术（FIB）对峰值效率电池的背接触层进行切割，以去除截断的表面，通过扫描透射电子显微镜（STEM）成像与能量色散X射线能谱（EDX）相结合，分析n-Si/SiOx/TbFx/Al界面。在O元素信号达到最大位置后，Al元素信号迅速下降到可以忽略的数值，所以我们判断一部分Al扩散到TbFx，但没有扩散到n-Si表面，这对电池性能的提高非常重要。因为这表明SiOx/TbFx(≈2 nm)叠层可以有效地阻止n-Si和Al的直接接触，这意味着费米钉效应也将被消除。

在插入SiOx/TbFx(≈2 nm)叠层后，太阳电池的性能得到了极大的改善，包括开路电压Voc为675 mV，填充因子FF为84.1%，电流密度Jsc为38. 5 mAcm^-2，最终PCE为21.9%，与没有SiOx/TbFx叠层的电池相比，Voc增加141 mV，Jsc增加4.8 mAcm^-2，FF增加6.2%，电池绝对效率增加8.1%。这主要是由于：i）优良的欧姆接触和低c，1.62 mcm²的n-Si/TbFx/Al接触，证明了TbFx的优异的电子选择性[57]，ii）≈2 nm的TbFx薄膜使得Al在一定程度上无法与n-Si表面形成亲密的金属半导体接触，从而缓解了费米级钉扎效应。尽管对于这个界面上的高电子传导性的机制仍然存在一些争议，但在大多数研究中，低功函数电极的形成被认为是最重要的结果（如LiFx和TiOx）。因此，导致Voc明显增加到630 mV，FF增加到82.5%，Jsc增加到38.4 mAcm^-2。当插入了用成型气体退火的超薄SiOx层，它提供了化学钝化。令人惊讶的是，n-Si/SiOx/TbFx/Al触点的c只略微增加到15 mcm²，因此实现了更高的FF。最后，峰值效率的电池显示Voc为675 mV，Jsc为38.5 mAcm^-2，FF为84.1%，PCE为21.9%。

设计的TbFx/Al的电子选择性接触不仅在插入SiOx后保持低接触电阻，而且与工业生产线上的PECVD沉积设备兼容。在这个过程中，SiOx/TbFx叠层消除了Al和n型晶体硅（n-Si）之间的费米钉，进一步提高了TbFx在全面积接触上的电子选择性。这不仅为在具有DASH架构的晶体硅太阳能电池中实现更高的效率提供了思路，而且还证明了TbFx的超低功函数和无掺杂物特性作为电子选择材料在有机或无机光伏设备中的巨大潜力。

A Novel Ultra-low Work Function TbFx for High Efficiency Dopant-free Silicon Solar Cells

梁宗存 教授 简介：毕业于中山大学物理学院，获博士学位，长期从事太阳电池与光伏材料、光伏器件物理研究。

目前参与一项国家重点研发计划项目“高效晶硅全钝化接触太阳电池及组件关键制备技术与 核心装备研发”，承担子课题“晶硅全钝化接触电池结构设计及机理研究”；参与一项江苏省双碳科技创新专项资金项目课题3“全钝化高效电池技术研究”；承担1项广东省基金面上项目等。完成一项国家“863”高技术项目课题：光伏组件加速老化测试技术研究与测试设备研制；三项国家基金面上项目“新型高效TMO/c-Si诱导型异质结太阳电池研究”、“基于激光掺杂均匀发射极的高效n型太阳能电池研究”、“晶体硅太阳电池背面钝化及背面反射AL/SINX复合薄膜研究”；1项广东省重大科技专项；7项广东省科技专项、省部产学研及省基金等项目。发表学术论文120余篇，授权公开发明专利20余项。

韦慧奇，中山大学物理学院20级光学硕士生，因对半导体物理和晶体硅太阳电池研究极为感兴趣而加入梁宗存教授课题组。