Hoog-presterende PEDOT:PSS/n-Si zonnecellen met getekstureerde oppervlakken en zilver nanodraad elektroden

Samenvatting

Hybride heterojunctie zonnecellen (HHSCs) zijn aantrekkelijk vanwege hun eenvoudige architectuur en lage fabricatiekosten. In deze studie spin-coaten we een hoog transparante geleidende polymer, poly(3,4-ethylenedioxythiofeen):poly(styreensulfonaat) (PEDOT:PSS), direct op n-type kristallijn silicium (n-Si) dat getekstureerd is met conventionele chemische etsen. Door de coatingcondities te optimaliseren, bereikten we een vermogensomzettingsrendement (PCE) van 8.54% met een eenvoudig oplossings-gebaseerd proces. Het hoge rendement voortvloeit uit conform contact tussen de PEDOT:PSS film en het getekstureerde silicium. Verdere verbetering werd bereikt door conventionele zilver roosterelektroden te vervangen door zilver nanodraden (AgNWs), die superieure optische doorlatendheid en elektrische geleidbaarheid bieden. Deze wijziging verhoogde het PCE tot 11.07%, een 29.6% verbetering ten opzichte van traditionele elektroden. Onze resultaten tonen aan dat het combineren van PEDOT:PSS met AgNWs en getekstureerd silicium een veelbelovende weg biedt naar hoog-rendement, lage-kost zonnecellen.

Achtergrond

Kristallijn silicium domineert de wereldwijde fotovoltaïsche market, met ongeveer 90% van de verkoop door zijn balans van prestaties en kosten. Hybride heterojunctie zonnecellen die n-kristallijn silicium koppelen met PEDOT:PSS zijn uitgekomen als een overtuigende alternatief, dankzij hun dopant-vrije, vacuüm-vrije, lage-temperatuur, oplossing-geproceseerde fabricatie. Het huidige record voor een PEDOT:PSS/n-Si HHSC is 16.2% PCE, en de rendementsgapping met conventionele siliciumcellen dunkt steeds kleiner.

In een PEDOT:PSS/n-Si cel fungeert kristallijn silicium als de hoge-mobiliteit absorber, terwijl de PEDOT:PSS laag dient als een transparante, geleidende gat-transporterende venster. Echter, de algehele efficiëntie wordt vaak beperkt door de kwaliteit van de PEDOT:PSS/n-Si interface. Interface engineering - door oppervlakteteksturering, passivatie lagen, of achterkant veld - heeft effectief gebleken in het verminderen van recombinatie en verbeteren van ladingcollectie.

Terwijl veel strategieën zich richten op platte substraten, is de contactkwaliteit tussen PEDOT:PSS en getekstureerd silicium minder onderzocht. Teksturering, typisch bereikt met alkaline etsmiddelen, creëert willekeurige micro-piramides die lichtinvang verbeteren maar ook uitdagingen poseren voor uniforme filmdepositie. Bovendien kunnen traditionele zilver elektroden lijden aan beperkte optische transparantie op getekstureerde oppervlakken. Zilver nanodraden bieden een oplossing, biedend hoge doorlatendheid en geleidbaarheid terwijl compatibel met druipgieten op getekstureerde polymeren.

Methoden

Bereiding van Getekstureerde Si Substraten voor HHSCs

We gebruikten n-Si(100) Czochralski wafers (210 µm dik, 1-3 Ω·cm) als substraten. Na standaard SC1/SC2 reiniging, werden de wafers gepolijst in een hoge-concentratie KOH oplossing bij 75 °C voor 2-3 min om de beschadigde laag te verwijderen. De oppervlakken werden geëtst in een 2 wt.% KOH/2 wt.% isopropanol bad bij 75 °C voor 15-20 min om een dubbelzijdige willekeurige piramide structuur te vormen met een gemiddelde hoogte van ~1 µm. Een finale RCA reiniging en een korte HF dip (0.5-1 min) produceerde een oxide-vrij, hydrofoob silicium oppervlak klaar voor PEDOT:PSS depositie.

Fabricatie van Si/PEDOT:PSS Hybride Zonnecellen

Figuur 1 illustreert de fabricatierreeks. Een 200 nm aluminium achtercontact werd gesputterd op de wafer achterkant. De PEDOT:PSS (Clevios PH1000) oplossing werd gedopt met 5 wt.% DMSO en 0.1 wt.% fluoride surfactant (Capstone FS31) om geleidbaarheid en benetting te verbeteren. Het mengsel werd gespin-coated bij diverse snelheden (1.000-8.000 rpm) en geanneald bij 130 °C voor 15 min. Voor conventionele elektroden werd een 200 nm zilver rooster thermisch verdampt door een schaduwmasker. Voor de AgNWs variant werd een 5 mg/mL dispersie van 50 nm diameter, 100-200 µm lange zilver nanodraden (XFNANO) in isopropanol op de wafer gedruipt en gedroogd bij 150 °C voor 5 min.

Apparaatkarakterisering

Reflectantie werd gemeten met een integrerende bol; SEM beelden werden vastgelegd met een Hitachi S4800. Stroom-spanning (J-V) kenmerken werden opgenomen onder AM 1.5 (100 mW/cm²) verlichting met een Oriel zonne simulator (94063A) en een Keithley 2400 bronmeter. Absorptiespectra werden verkregen met een UV-8000 spectrofotometer, en doorlatendheid van de PEDOT:PSS film werd gemeten met een QEX10 spectrofotometer. Vlakweerstand werd bepaald door een vier-punt tester (SDY-4).

Resultaten en Discussie

Het verbeteren van de optische en elektrische eigenschappen van de PEDOT:PSS film via additieven is een bewezen strategie. Het toevoegen van 5 wt.% DMSO aan de PEDOT:PSS oplossing verhoogt de geleidbaarheid met een orde van grootte, terwijl 0.1 wt.% FS31 de contacthoek op hydrofoob silicium van 104.3° naar een veel lagere waarde verlaagt, wat meer uniforme coating mogelijk maakt.

Figuur 3 toont dat de PEDOT:PSS film ~85% van zichtbaar licht doorlaat bij coating met 5.000 rpm. Met DMSO en FS31 neemt de doorlatendheid licht toe over 600-1.000 nm, en de filmabsorptie in het 400-600 nm bereik verbetert, wat het een uitstekend optisch venster maakt.

Micro-piramidale teksturering verbetert lichtinvang, verminderd basisreflectantie tot ~10-20%. Het toevoegen van een PEDOT:PSS laag verlaagt reflectantie met ~5% over het spectrum, maar de exacte waarde hangt af van spin-coat snelheid. Hogere spinsnelheden verhogen oppervlaktespanning, wat het polymer in staat stelt de piramide valleien te penetreren en contact te verbeteren. Figuren 4 en 5 illustreren dat bij 4.000-5.000 rpm de film nauw conform aan de tekstuur, wat gaten elimineert en junctieoppervlakte maximaliseert. Echter, bij 8.000 rpm wordt de film te dun, wat gaten achterlaat die de open-circuitspanning verminderen.

Reflectantiemetingen (Figuur 6) bevestigen dat de PEDOT:PSS laag antireflectie verbetert, met name voor golflengtes 600-1.000 nm. De optimale spinsnelheid balanceert filmdikte (om parasitair absorptie te minimaliseren) en junctiedekking (om ladingcollectie te maximaliseren). De beste apparaatprestaties - J_sc = 26.88 mA/cm², FF = 62.1%, V_oc = 0.56 V, PCE = 11.07% - werden bereikt met een 4.000 rpm coating en zilver nanodraad elektroden.

De J-V curven (Figuur 7) illustreren de duidelijke trend: naarmate spinsnelheid toeneemt van 1.000 tot 5.000 rpm, stijgt J_sc door verbeterde junctieoppervlakte en verminderde recombinatie. Boven 5.000 rpm daalt prestaties omdat de film te dun wordt.

Zilver nanodraad elektroden verbeteren apparaatmetrieken verder door de seriesweerstand te verlagen van 0.84 tot 0.38 Ω·cm², FF te verhogen van 62.1% tot 72.2%, en V_oc te stijgen van 0.51 tot 0.56 V. De AgNWs bieden ook plasmonische lichtverstrooiing, wat absorptie in het 400-700 nm bereik verbetert en bijdraagt aan een hogere kortsluitingstroomdichtheid.

Conclusies

Door DMSO en FS31 toe te voegen aan PEDOT:PSS, bereikten we een hoog geleidende, lage-contacthoek film die goed conform aan micro-getekstureerd silicium. Het optimaliseren van de spin-coat snelheid tot 4.000 rpm maximaliseert junctieoppervlakte terwijl een geschikte filmdikte behouden blijft, wat een PCE van 11.07% oplevert met zilver nanodraad elektroden. Deze benadering biedt een eenvoudige, schaalbare route naar hoog-rendement, lage-kost hybride zonnecellen.