铷氟化物后沉积处理对宽禁带双面Ag(In,Ga)Se2太阳能电池性能的影响机制研究

本文系统研究了RbF-PDT（铷氟化物后沉积处理）对无铜宽禁带（EG=1.5 eV）AIGS太阳能电池的调控作用，揭示了Rb-In-Se表面相形成及Cd扩散机制，发现RbF处理会导致填充因子（FF）显著下降且开路电压（VOC）无增益，尤其在使用透明In2O3:W背电极时性能恶化更明显。研究通过STEM-EDS和XPEEM等表征手段证实界面传输势垒的形成机制，为宽禁带太阳能电池材料设计提供了重要理论依据。

　　

铷氟化物后沉积处理对宽禁带AIGS太阳能电池的调控机制

研究背景与动机

宽禁带（E_G≈1.5 eV）Ag(In,Ga)Se₂（AIGS）太阳能电池作为串联器件的顶电池候选材料，其性能优化至关重要。虽然重碱金属（HA）后沉积处理（PDT）在窄禁带CIGS电池中已被证明能提升效率，但其在无铜AIGS体系中的作用机制尚不明确。本研究通过对比Mo和透明In₂O₃:W（IOW）两种背电极结构，系统探究了RbF-PDT对器件性能的影响规律。

材料表征关键发现

同步辐射X射线光电子能谱显微镜（XPEEM）显示，20 nm RbF处理后表面形成GaF/RbF等可溶性颗粒，水洗后残留纳米多孔Rb-In-Se相（推测为RbInSe₂）。扫描透射电镜（STEM）结合能谱分析（EDS）证实：

1. 界面化学：Cd缓冲层向RbInSe₂表面相扩散约5 nm

2. 晶界特性：Rb选择性富集于贫Ag/富In的晶界

3. 背接触演变：IOW背电极界面GaO_x厚度从1.7 nm增至3.0 nm

光电性能恶化机制

对比四种RbF剂量（0-20 nm）发现：

• 效率单调下降：最佳IOW电池效率从12%骤降至2%

• FF显著降低：Mo背电极样品FF从74.4%降至58.7%，IOW样品恶化更严重（62.5%→15.8%）

• V_OC无增益：与CIGS体系不同，AIGS未出现重碱金属处理特有的电压提升效应

机制解析与创新认识

1. 界面势垒理论：RbInSe₂/AIGS界面的大导带偏移（CBO）导致载流子传输受阻

2. 背接触退化：Rb在GaO_x/IOW界面的富集形成复合中心

3. 掺杂失效：AIGS体相始终完全耗尽，RbF-PDT未能提高掺杂浓度

4. 双面性能突破：优化样品在背面光照下获得72%的短路电流双面因子，为1 μm厚吸收层的最佳记录

技术启示与应用前景

本研究否定了通过完全去除Cu来改善宽禁带ACIGS性能的技术路线，证明：

• Ga含量并非制约V_OC缺陷的主因

• RbF-PDT在透明背电极体系中具有普适性负面效应

• 超薄CdS缓冲层（35 nm）可提升所有参数，暗示传统65 nm厚度存在优化空间

该工作通过多尺度表征揭示了重碱金属处理在无铜体系中的特殊作用机制，为新一代叠层太阳能电池的材料设计提供了重要实验依据。