Hoge prestaties van PEDOT:PSS/n-Si-zonnecellen op basis van een gestructureerd oppervlak met AgNWs-elektroden

Resultaten en discussie

Het verbeteren van optische en elektrische eigenschappen door toevoeging van additieven in PEDOT:PSS-film zou de prestaties van zonnecellen verbeteren. Een "secundaire doping"-methode wordt gebruikt om de geleidbaarheid van de organische laag te verbeteren door dimethylsulfoxide (DMSO) toe te voegen aan PEDOT:PSS-verbinding [23]. De elektrische geleidbaarheid van PEDOT:PSS-oplossing kan aanzienlijk worden verhoogd door extra DMSO van 5 gew.% toe te voegen [10, 23, 24]. De bladweerstand van de PEDOT:PSS-laag, spincoating op glazen was 136 /□ bij 2000 tpm. We ontdekten echter dat de contacthoek tussen het hydrofobe siliciumoppervlak en de PEDOT:PSS-oplossing 104,3 ° was (figuur 2a), wat de kwaliteit van de spincoating extreem belemmerde. Een bruikbare methode is het mengen van oppervlakteactieve fluoride in PEDOT:PSS-oplossing om de contacthoek te verkleinen [25]. Figuur 2 toont de verschillen in contacthoeken tussen wafer en PEDOT:PSS-oplossing (met en zonder FS31 van 0,1 gew.%). Als gevolg hiervan bleek de contacthoek van de PEDOT:PSS-oplossing op het hydrofobe siliciumoppervlak opmerkelijk verminderd te zijn. De optische transmissie van PEDOT:PSS-film met en zonder additieven gecoat bij 5000 rpm op glas wordt getoond in Fig. 3. De PEDOT:PSS-film vertoont een optische transmissie van 85% contrast met het referentieglas. Met het toepassen van DMSO en FS31 zou de transmissie van PEDOT:PSS iets kunnen worden verhoogd bij een golflengte van 600 tot 1000 nm. De spectra vertonen hogere optische eigenschappen tussen 400 en 1000 nm, waardoor ze optimaal zijn als optisch venster in PEDOT:PSS/n-Si-zonnecellen. Bovendien is de uniformiteit van de filmdikte verbeterd in het spincoatingproces. Over het algemeen verbeteren de additieven de optische eigenschappen van PEDOT:PSS en de contactprestaties tussen het gestructureerde siliciumoppervlak en de PEDOT:PSS-laag.

De contacthoek tussen wafer en PEDOT:PSS-oplossing (a ) zonder FS31 en (b ) met FS31

De rode lijn is het absorptiespectrum van PEDOT:PSS met additieven (DMSO en FS31) bij een golflengte van 400 tot 1000 nm. De blauwe lijnen zijn de transmissiespectra van PEDOT:PSS-film met en zonder additieven en referentieglas bij een golflengte van respectievelijk 400 tot 1000 nm

Traditioneel geïndustrialiseerd textureringsproces wordt toegepast om een ​​lichtvangende structuur te vormen. Vanwege de anisotrope reactiesnelheden van siliciumwafels in een hete alkalische oplossing, worden de voor- en achterkant van silicium geëtst in een micropiramidale structuur met willekeurige afmetingen. Het corresponderende SEM-beeld met piramidevormig oppervlak wordt geïllustreerd in figuur 4f. De complexe structuur op het silicium vormt barrières om uniforme PEDOT:PSS-film- en fabricageprocessen te bereiken. Om het dikte-uniformiteitsprobleem op het gestructureerde siliciumoppervlak te overwinnen, heeft spincoating voordelen ten opzichte van andere coatingmethoden. Figuur 4a-e toont bovenaanzichten van PEDOT:PSS-film op de piramidestructuur, vervaardigd met spincoatingsnelheden van respectievelijk 1000 tot 5000 tpm en 8000 tpm. Afbeelding 5 toont de dwarsdoorsnede van met substraat gecoate PEDOT:PSS op a 4000 tpm en b 5000 tpm. In een laag tempo maakt de oppervlaktespanning van de PEDOT:PSS-oplossing het moeilijk om door te dringen in de valleien omringd door piramides. De toenemende spin-coatingsnelheid zou de penetratiesnelheid en de hechting van PEDOT:PSS-oplossing op het micropiramidale oppervlak kunnen verbeteren [26]. Het dekkingsgebied wordt uitgebreid met spincoatingsnelheid; de holtes worden zo klein dat de PEDOT:PSS bijna conform contact met de gestructureerde substraten zou kunnen zijn. Als gevolg hiervan worden de luchtholten onder de PEDOT:PSS-film, zoals weergegeven in Fig. 5, geleidelijk kleiner [27]. Bovendien worden het contactoppervlak en de contactkwaliteit tussen de getextureerde structuur en PEDOT:PSS-film geleidelijk verbeterd naarmate de spincoatingsnelheid toeneemt. Naarmate de coatingsnelheid toeneemt, neemt de dikte van PEDOT:PSS-film af, komen de piramides geleidelijk uit PEDOT:PSS-film en neemt de vlakheid van het substraat dienovereenkomstig af.

De SEM bovenaanzicht beelden van getextureerde Si met PEDOT:PSS-laag. een –e coatingsnelheden variëren van 1000 tot 5000 tpm, en f heeft geen PEDOT:PSS-laag. De schaalbalken in a –f zijn hetzelfde

De dwarsdoorsnede van getextureerde Si-gecoate PEDOT:PSS-film (a ) met 4000 rpm en (b ) met 5000 tpm

De coatingomstandigheden hadden echter een sterke invloed op de morfologie van apparaten. Om de optische eigenschappen van de substraten te karakteriseren, werden reflectiespectra opgenomen voor monsters met verschillende coatingomstandigheden van PEDOT:PSS. Zoals getoond in Fig. 6, is de reflectie van het originele getextureerde Si-substraat ~ -10 tot 20% vanwege de effectieve lichtvangst en lichtverstrooiing veroorzaakt door toenemende optische padlengte van invallend licht tussen de micropiramidale structuren op het siliciumoppervlak. De experimentele resultaten tonen duidelijk aan dat het stapelen van PEDOT:PSS-film op micropiramidale structuren de antireflectie van apparaten duidelijk met ~  5% verbetert. In het golflengtebereik van 600 tot 1000 nm lijkt de reflectie afhankelijk te zijn van de coatingsnelheden. De reflectie lijkt echter onregelmatig te zijn in de kortegolfband. Vooral voor het monster bij 1000 tpm lijkt de reflectie hoger te zijn dan bij andere snelheden. Gezien de relatie tussen de dikte van PEDOT:PSS-film en zijn lichtreflectie, toont Fig. 3 het absorptiespectrum en het transmissiespectrum van PEDOT:PSS-film gecoat op glas bij 5000 tpm bij een golflengte van 400 tot 1000 nm. De absorptie van PEDOT:PSS in een golflengte van 600 tot 1000 nm is relatief groter dan die in de kortegolfband en de reflectie is evenredig met de coatingsnelheid. De absorptiecoëfficiënt bij een golflengte van 400 tot 600 nm is echter relatief lager. Bovendien neemt de vlakheid van het oppervlak de belangrijkste factor in beslag die de reflectiviteit beïnvloedt. Wanneer de film relatief dik is, zijn de piramides bijna ondergedompeld en wordt het oppervlak vlakker, wat de reflectie van de PEDOT:PSS-film op het siliciumoppervlak bepaalt. Op basis van de bovenstaande discussie hebben we voorlopig naar voren gebracht dat de reflectie van de PEDOT:PSS-laag op een gestructureerd oppervlak wordt beïnvloed door zowel de absorptie van de diëlektrische laag als de vlakheid van het oppervlak.

De reflectiecurves van getextureerd Si gecoat met PEDOT:PSS-laag bij verschillende coatingsnelheden van 1000 tot 5000 tpm, 8000 tpm en geen PEDOT:PSS

De rol van contacteigenschappen en dikte van PEDOT:PSS-film voor de prestaties van zonnecellen is ook onderzocht. De lichtstroomdichtheid–spanning (J–V ) curven voor de HHSC's met verschillende PEDOT:PSS-coatingsnelheden worden getoond in Fig. 7 en de homologe elektrische kenmerken zijn samengevat in de tabel. 1. Het apparaat met verdampte zilverrasterelektroden heeft een piekconversie-efficiëntie van 8,54%. De totale oppervlakte van het apparaat en de elektroden is 20 × 20 mm en 40 mm ² , respectievelijk. Zoals weergegeven in Tabel. 1, de J _sc , FF en PCE van PEDOT:PSS/n-Si hybride cellen zijn gecorreleerd met de coating-omstandigheden. Naarmate de coatingsnelheden toenemen, worden het contactoppervlak, de contactkwaliteit en de laagdikte geoptimaliseerd; de J _sc van de zonnecel stijgt geleidelijk van 21,68 naar 26,88 mA/cm ² . Bij lage snelheid kon de dunne PEDOT:PSS-film zich niet op de bodem van de valleien tussen piramides afzetten. Zoals getoond in Fig. 5, zijn de contactknooppunten tussen PEDOT:PSS-film en de top van piramides zo klein dat PEDOT:PSS-film niet genoeg lading kan verzamelen, wat resulteert in een slechte heterojunctie [26, 27]. Bovendien kan PEDOT:PSS-film, vanwege de brede bandgap van PEDOT:PSS, de recombinatiesnelheden van de interface verminderen en de recombinatie van elektronen aan de voorkant van het apparaat blokkeren.

De J-V curven van de HHSC's met verschillende PEDOT:PSS-coatingsnelheden van 1000 tot 5000 tpm en 8000 tpm bij AM1.5

Bij praktische toepassing op gestructureerde ondergronden kon de PEDOT:PSS-filmdikte niet worden aangepast zonder rekening te houden met de contacteigenschappen. Het spincoatingproces beperkt tegelijkertijd de filmdikte en de contactkwaliteit [7]. Het is bekend dat een relatief hoge coatingsnelheid zeer noodzakelijk is voor efficiëntieverbeteringen. De verbeterde heterojunctiegebieden dragen bij aan de scheiding van gaten en elektronen en een toename van J _sc . Het hoogwaardige interfacecontact leidt tot een daling van de interface-recombinatiesnelheid en een aanzienlijke stroomstoot [11, 18]. Een dergelijk feit kan worden gevonden uit Fig. 4 en 5, dat er geen massief geleidend organisch materiaal is dat zich bij 5000 tpm over de valleien stapelt. Voor de vermindering van de PEDOT:PSS-filmdikte vangt het gestructureerde siliciumoppervlak meer licht op [26]. Het verminderde parasitaire absorptieverlies van de dunnere PEDOT:PSS-laag leidt tot een verbetering van de fotonenabsorptie van het siliciumoppervlak, waardoor de fotostroom en de celefficiëntie worden verbeterd. Wanneer de spin-coatingsnelheid echter 8000 tpm bereikt, neemt de nullastspanning af tot 0,49 V omdat PEDOT:PSS-film mogelijk te dun is om het hele Si-oppervlak te bedekken en de heterojunctie waarschijnlijk korter wordt. Een dunnere film zou de directe verbinding tussen metalen elektroden en de bovenkant van piramides veroorzaken. Ondertussen heeft de verminderde lengte van de PN-overgang, vanwege de verminderde filmdikte, een effect op de prestaties van het apparaat [23]. En de niet-uniformiteit van de filmdikte bij 8000 tpm kan vooral belangrijk zijn bij het beïnvloeden van de efficiëntie van het apparaat. Daarom treden de hoogste prestaties van PEDOT:PSS/n-Si-zonnecellen op bij 5000 rpm.

De bovenstaande monsters werden geproduceerd met zilveren roosterelektroden. Voor het gebruik van de zeer transparante en geleidende zilveren nanodraden-elektroden, werd de vergelijkbare AgNWs-film op vlakke substraten gerapporteerd in HHSC's [28, 29]. We hebben ook apparaten gefabriceerd met AgNWs-elektroden met een totale oppervlakte van 20 × 20 mm. Toen de coatingsnelheid van PEDOT:PSS op 4000 tpm kwam, kunnen zonnecellen met zilveren nanodraadelektroden een hoogste PCE van 11,07% bereiken met behulp van drop-casting-methoden. De metingen worden getoond in Fig. 8. Het SEM-beeld van zilveren nanodraadelektroden op een gestructureerd substraat wordt weergegeven in Fig. 9. De zilveren nanodraden zouden in contact kunnen komen met de piramides. En het contactgebied van de elektroden tussen AgNW's en PEDOT:PSS is groter dan dat in de apparaten met zilveren elektroden. De serieweerstand van PEDOT:PSS/n-Si zonnecellen neemt af van 0,84 naar 0,38 Ω/cm ² voornamelijk omdat de AgNWs-filmelektroden een lage vierkante weerstand van ~  10 Ω/□ hebben. De vulfactor en V _oc vanwege de verminderde serieweerstand van de apparaten aanzienlijk kunnen toenemen van respectievelijk 62,13 tot 72,15% en 0,51 tot 0,56 V. Bovendien speelt het plasmonische effect van AgNW's een significante rol bij de toename van lichtoogst [30,31,32,33]. Malika Chalh gaf aan dat de AgNW's (meer dan 10 μm) excitatie van de oppervlakteplasmonmodus kunnen veroorzaken, wat de absorptie zou kunnen verbeteren voor een golflengtebereik tussen 400 en 700 nm [34]. Het oppervlak van het Si-substraat is bedekt met veel zilveren nanodraden, die roosters vormen voor het verzamelen van lading. De verbetering van de absorptie in de actieve laag kan worden verhoogd, via een koppeling tussen elke draad. De AgNW's zouden echter leiden tot sterke parasitaire absorptieverliezen in de metaal- en actieve lagen. Hier zou de dikkere actieve laag de absorptie in de AgNWs-laag kunnen verminderen en meer absorptie in de actieve laag veroorzaken [35]. Daarom heeft het apparaat een significante verbetering laten zien van de breedbandlichtabsorptie door gebruik te maken van de plasmonische AgNW's via de efficiënte verstrooiing van licht en plasmonische koppeling [36]. Met de vervanging van AgNWs-elektroden wordt de kortsluitstroomdichtheid van het apparaat verhoogd van 26,55 naar 27,08 mA/cm ² . Het blijkt dat de zilveren nanodraadelektroden een hogere PCE kunnen bereiken in de PEDOT:PSS/n-Si zonnecellen.

J –V krommen van PEDOT:PSS/n-Si hybride zonnecellen met zilveren nanodraadelektroden

een De dwarsdoorsnede van PEDOT:PSS/n-Si zonnecellen met AgNWs-elektroden. b De gedetailleerde afbeelding van de rode rechthoek