Hoge prestatie organisch-nanogestructureerde silicium hybride zonnecel met aangepaste oppervlaktestructuur

Resultaten en discussie

Morfologie en optische karakterisering van SiNW-substraat door TMAH-behandeling

De SEM-afbeeldingen van gefabriceerde Si-nanostructuur met hoge dichtheid worden getoond in figuur 1a. Si NW's zijn gelijkmatig verdeeld over Si-wafels met een gemiddelde draaddiameter van 30 tot 50 nm. De nanodraden zijn vervaardigd uit tweestaps metaalgeassisteerd chemisch etsen [20]. Eerste stap, Ag-nanodeeltjes worden zelf-geassembleerd via reductie en oxidatie tussen Ag en Si en, tweede stap, worden verticaal geëtst in een gemengde etsoplossing bestaande uit HF en H₂ O₂ . We kunnen zien dat de Si NW-dichtheid erg hoog is, samen met een groot oppervlak. Figuur 1b-d toont de SEM-beelden van Si NW onderworpen aan verschillende anisotrope TMAH-etstijden van 50 tot 70 s. De hoogte is ongeveer 120, 100 en 95 nm na een etstijd van respectievelijk 50, 60 en 70 s. De etsverwerking verandert duidelijk de morfologie van de nanostructuur [22, 23]. Omdat de concentratie van TMAH en de etstemperatuur constant is, worden met toenemende etstijd meer poreuze SiNW's geëtst. We kunnen zien dat TMAH-behandeling het mogelijk maakt om Si NW's schaars te maken en te verminderen. Bovendien vormt anisotroop TMAH-etsen omgekeerde piramides op de bodem van nanogaten, wat duidelijk is na 60 s etsen. Het uiterlijk van omgekeerde piramides verkleint niet alleen het oppervlak van nanogestructureerd silicium, maar houdt het licht ook effectief vast.

SEM-afbeeldingen van verschillende Si-nanostructuur. een As-fabricated Si NW, Si NW met TMAH-etstijd van b 50, c 60, en d 70 s

Om de lichtoogstkenmerken van de nanostructuren te evalueren, werd de reflectie gemeten, zoals weergegeven in figuur 2a. Voor het as-fabricated Si NW is de reflectie relatief laag in de golflengte variërend van 300 tot 1100 nm. Voor structuren na TMAH-behandeling is de lichtvangende eigenschap niet zo goed als de oorspronkelijke Si NW-structuur. De gemiddelde optische reflectie is echter nog steeds laag in vergelijking met vlak Si-substraat in alle golflengten. Bovendien draagt ​​het verlies van licht bij aan het verminderen van oppervlaktedefecten.

Reflectie en karakterisering van de levensduur van minderheidsdragers van verschillende Si-nanostructuren. een Reflectiespectra van verschillende monsters:vlak Si-substraat, Si NW zonder en met verschillende TMAH-tijd. b Levensduur van injectie-afhankelijke minderheidsdrager van verschillende monsters

Oppervlakterecombinatie van Si NW-substraat door TMAH-behandeling

Om de vermindering van oppervlaktedefecten te bepalen, wordt de effectieve levensduur van minderheidsdragers gemeten en gebruikt om recombinatiemechanismen te evalueren. Figuur 2b toont injectieniveau-afhankelijke effectieve levensduur van de drager (τ _eff ) van verschillende etsprocesmonsters. De trend van de curvevorm is bijna hetzelfde voor deze substraten:τ _eff neemt toe met toenemend injectieniveau. Bij hetzelfde injectieniveau vertonen met TMAH behandelde nanogestructureerde Si-substraten een hogere τ _eff dan die van Si NW één. Afbeelding 3a, b geeft het schematische diagram weer van de meting van de levensduur van de minderheidslading. De fotogeleiding, die nauw samenhangt met de concentratie van de dragers, wordt gemeten door microgolfabsorptie tijdens en na de excitatie met een rechthoekige laserpuls. Afbeelding 3c–f toont de mapping van de minderheidslevensduur van verschillende monsters op een injectieniveau van 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . De gemiddelde levensduur van minderheidsdragers van ongerept Si NW-substraat is slechts 8,1 s, terwijl voor de monsters met TMAH-behandeling 13,6 s (50 s), 17,0 μs (60 s) en 19,4 μs (70 s) zijn.

In kaart brengen van de levensduur van een minderheidsladingdrager voor verschillende Si-monsters. Het schematische diagram van de levensduur van een minderheidsladingdrager:a de meetinstructie en b het mechanisme van de meting van de levensduur van de drager:de fotogeleiding, die nauw samenhangt met de concentratie van de drager, wordt gemeten door microgolfabsorptie tijdens en na de excitatie met een rechthoekige laserpuls. c Si NW zonder TMAH-behandeling; Si NW met TMAH-behandeling voor d 50, e 60, en f jaren 70. De grootte van elke afbeelding was 1,5 × 1,5 cm ²

De levensduur van de minderheidsdrager van een siliciumzonnecel is als volgt:[24].

waar τ is de effectieve levensduur, τ _bulk is de levensduur van de bulkrecombinatie, S is de oppervlakte-recombinatiesnelheid, en W is de wafeldikte. De toenemende levensduur van minderheidsdragers duidt op een lagere recombinatiesnelheid van het oppervlak, aangezien zowel de bulkrecombinatie als de dikte constant waren voor alle monsters. Wanneer de etstijd toeneemt, neemt het aantal Si NW's af, wat minder oppervlaktedefecten betekent. Zoals we weten, zijn de door foto gegenereerde dragers vatbaar voor verlies van oppervlakterecombinatie. Met een aanzienlijk verminderd oppervlak van nanostructuren, wordt verwacht dat ook de oppervlakte-recombinatieprocessen afnemen. Op zijn beurt, in combinatie met de oppervlaktezuivering en het verkleinen van het oppervlak, kan ladingsrecombinatie dramatisch worden onderdrukt. Voor etsen van 50, 60 en 70 s neemt het oppervlak af samen met een gladder oppervlak, wat resulteert in minder oppervlaktedefecten en een lage recombinatiesnelheid. Als we de TMAH-etstijd verder verhogen, zal de nanostructuur van silicium afnemen en zal de reflectiewaarde veel hoger zijn.

Prestaties van zonnecellen

De apparaatstructuur van PEDOT:PSS/Si hybride zonnecel wordt getoond in figuur 4a. De prestaties van apparaten zijn samengevat in tabel 1. Stroomdichtheid versus spanning (JV) curves van apparaten met verschillende nanogestructureerde Si-substraten zijn uitgezet in figuur 4b. Het op Si NW gebaseerde apparaat vertoont een PCE van 11,02%, V _oc van 0,584 V, J _sc van 29,24 mA·cm ⁻² , en FF van 0,64. Vanwege de vele defecten van de nanostructuur, is de V _oc relatief laag is. Na Si NW gepolijst door TMAH-behandeling, verbeteren de prestaties van het apparaat aanzienlijk. Voor het etsproces van de jaren 50 levert het apparaat een PCE op van 13,34%, V _oc van 0,630 V, J _sc van 30,25 mA·cm ⁻² , en FF van 0,70. Voor de etsapparaten uit de jaren 60, de prestaties van PCE, V _oc , J _sc , en FF zijn 14,08%, 0,632 V, 31,53 mA·cm ⁻² en 0,632. En het apparaat van een op etsen gebaseerd substraat uit de jaren 70 vertoont een PCE van 12,16%, V _oc van 0,628 V, J _sc van 27,27 mA·cm ⁻² , en FF van 0,71. We kunnen de V . vinden _oc en FF zijn veel verbeterd.

Apparaatprestaties van de hybride Si/PEDOT:PSS-zonnecel:a apparaatstructuur van PEDOT:PSS/Si hybride zonnecel, b stroomdichtheid-spanningscurves (JV) van apparaten op basis van verschillende nanogestructureerde Si-substraten, c externe kwantumefficiëntiespectra, en d J-V-curven onder het donker

Er zijn twee redenen voor deze verbetering. De eerste is dat de recombinatie aan de voorkant onderdrukt is na een TMAH-polijstbehandeling, wat wordt aangetoond door de meting van de minderheidslevensduur. Bovendien was de blauwe spectrale respons (400 tot 500 nm) van de apparaten van de EQE-meting die wordt weergegeven in figuur 4c sterk afhankelijk van de structuur van het substraat. Met de toename van de etstijd neemt de EQE in het blauwe gebied toe. Op basis van de reflectiespectra is er echter een klein verschil tussen verschillende nanostructureringsprocessen in deze regio. Het wordt dus toegeschreven aan verhoogde oppervlakte-recombinatieprocessen bij het hoge oppervlak van de nanostructuren. In het grote golflengtegebied neemt de EQE af naarmate de etstijd toeneemt. Het komt goed overeen met de reflectie-eigenschappen.

De tweede reden gaat over de contactweerstand. Zoals getoond in figuur 5a, kan de PEDOT:PSS-laag zelden conformeerbaar worden gecoat op het willekeurige, op Si NW gebaseerde substraat met hoge dichtheid. Wanneer de TMAH-behandeling is toegepast, zijn de nanodraden echter taps toelopend en schaars. Tijdens het spincoatingproces kan PEDOT:PSS in de opening sijpelen, weergegeven in figuur 5b. Bovendien induceert de TMAH-behandeling OH-groepen over het oppervlak van Si NW, wat het kleefvermogen van Si NW en PEDOT:PSS verhoogt [25, 26]. Het contactoppervlak van PEDOT:PSS-film en gepolijst nanostructuursubstraat is dus veel groter dan de Si NW-apparaten. Dit betekent dat de weerstand van ladingsoverdracht en -verzameling aan de voorkant kan worden verminderd door de TMAH-behandeling.

De SEM-afbeeldingen van PEDOT:PSS op nanogestructureerde Si-substraten:a de substraten zonder TMAH-behandeling en b de substraten met TMAH-behandeling (60 s)

Bovendien wordt de donkere J-V-curve getoond in figuur 4d. Er werd waargenomen dat verzadigingsstroomdichtheid (J ₀ ) werd significant onderdrukt na het toepassen van de TMAH-behandeling. Het is algemeen aanvaard dat V _oc hangt sterk af van de eigenschappen op het grensvlak waar een lage J ₀ geeft een hoge junctiekwaliteit aan [27,28,29,30]. De afname van J ₀ geeft vervolgens de voorkeur aan een efficiëntere ladingsscheiding aan de interface en leidt tot een toename van V _oc , wat consistent is met de apparaatprestaties.