Метанол-усиленный PEDOT:PSS как дырочный транспортный слой повышает КПД кремниевых/органических гибридных солнечных элементов до 12,2%

Аннотация

В недавнем экспериментальном исследовании эффективные гибридные Si/органические солнечные элементы изготовили с использованием диметилсульфоксида (DMSO) и поверхностно-активного вещества-допированного PEDOT:PSS. Подвергая пленки PEDOT:PSS пост-обработке полярными растворителями, производительность устройств могла быть еще больше увеличена. Мы обнаружили, что более высокая полярность растворителя приводит к более высоким КПД. Обработка метанолом дала проводимость PEDOT:PSS 1105 С·см⁻¹, а соответствующие гибридные элементы достигли рекордного КПД 12,22 %. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и Рамановская спектроскопия раскрыли, что удаление изолирующего PSS и конформационные изменения в полимере являются ключевыми для роста производительности. Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) продемонстрировала, что метанол-обработанные устройства показывают большее сопротивление рекомбинации и емкость, подтверждая эффективность этого простого, дешевого подхода.

Введение

Кремниевые-органические гибридные солнечные элементы сочетают высокое поглощение кристаллического кремния с легкими, растворимыми органическими слоями, предлагая путь к низкотемпературным, экономичным фотовольтаикам. Дырочный транспортный слой (HTL) критичен для извлечения зарядов и последовательного сопротивления; PEDOT:PSS, проводящий полимер, широко используется как HTL в органической электронике благодаря высокой проводимости и оптической прозрачности. Однако изолирующий компонент полистиролсульфонат (PSS) ограничивает его производительность. Предыдущие исследования применяли ко-растворители (например, DMSO, этиленгликоль) или кислотные обработки для повышения проводимости PEDOT:PSS, но эти подходы могут ухудшать стабильность или требовать агрессивных химикатов. Эта работа исследует мягкую пост-обработку полярными спиртами — особенно метанолом — для селективного удаления PSS и реориентации цепей PEDOT, тем самым улучшая Si/PEDOT:PSS интерфейс без ущерба для стабильности устройства.

Методы

Двухсторонне полированные n-типовые CZ Si(100) подложки (2,6–3,5 Ом·см, 450 мкм) последовательно очищали в ацетоне, этаноле, DI воде (ультразвук 20 мин каждый). Затем оксидировали в 80 °C пирановском растворе (3:1 H₂SO₄/H₂O₂) 30 мин, промывали и этравили в 5 % HF 5 мин для получения H-Si поверхности. Тонкий пассивирующий слой SiO₂ формировали погружением в 10 % HNO₃ (5 мин). Дисперсия PEDOT:PSS (Clevios PH1000) смешивали с 5 масс.% DMSO и 1 масс.% Triton X-100, затем шелкографировали на SiO₂/Si подложке (1500 об/мин, 60 с) и отжигали при 140 °C 10 мин под N₂. 60 мкл метанола (или других спиртов) наносили на высохшую пленку PEDOT:PSS и снова шелкографировали (2000 об/мин, 60 с) перед финальным отжигом 120 °C 10 мин. Серебро (200 нм) термически испаряли как верхний электрод, алюминий (200 нм) осаждали на обратной стороне под высоким вакуумом (~10⁻⁷ Па). Активная площадь устройств — 0,3 см².

Характеристики (J-V, EQE) измеряли под AM 1.5 (100 мВт·см⁻²) ксеноновой лампой, калиброванной референсным Si элементом. Проводимость пленок PEDOT:PSS определяли 4-точечным зондом (RST-9). XPS спектры снимали на Thermo ESCALAB 250 (Al Kα). Рамановские спектры — 532 нм лазер. EIS — на CHI660E (10⁻¹–10⁶ Гц). Пропускание и АФМ оценивали оптические и поверхностные свойства.

Результаты и обсуждение

Производительность гибридных PEDOT:PSS/Si элементов

Рис. 1 показывает J-V и EQE характеристики элементов, обработанных разными спиртами. Контроль (только DMSO) дал V_OC = 0,552 В, J_SC = 27,09 мА·см⁻², FF = 63,6 %, КПД = 9,51 %. Обработка изопропиловым спиртом (IPA) подняла КПД до 9,98 % (J_SC = 27,71 мА·см⁻², FF = 64,7 %). Этанол — до 10,69 % (V_OC = 0,556 В, J_SC = 28,16 мА·см⁻², FF = 68,3 %). Метанол дал максимальный КПД 12,22 % (J_SC = 30,58 мА·см⁻², FF = 72,0 %) — улучшение на 28 % над контролем.

Проводимость и оптические свойства

4-точечные измерения показали: проводимость PEDOT:PSS выросла с 0,3 С·см⁻¹ (без DMSO) до 650 С·см⁻¹ с DMSO. Пост-обработка IPA, этанолом, метанолом подняла проводимость до 826, 908, 1105 С·см⁻¹ соответственно. Поверхностное сопротивление снизилось с 200 Ом·см² (контроль) до 105 Ом·см² (метанол). Пропускание при 550 нм оставалось >95 % для всех пленок, указывая, что улучшение исходит из электронных, а не оптических изменений.

Структурные инсайты из Рамана и XPS

Рамановские спектры показывают систематический сдвиг пика PEDOT C_α–C_β с 1429 см⁻¹ (контроль) на 1425,8 см⁻¹ (IPA), 1422,7 см⁻¹ (метанол), отражая переход от бензоидной к кinoidной конформации, повышающей подвижность зарядов. XPS S 2p анализ указал на снижение отношения PSS/PEDOT с 2,48 (контроль) до 1,33 (метанол), подтверждая селективное удаление изолирующего PSS. АФМ подтвердил, что шероховатость поверхности оставалась низкой (≤2,4 нм) при всех обработках.

Импедансная спектроскопия

EIS выявило большее сопротивление рекомбинации (R_PN) и более длительное время жизни меньшинностных носителей (τ ≈ 751 мкс) для метанол-обработанных устройств против 622 мкс для контроля, указывая на сниженную интерфейсную рекомбинацию. Мотт-Шоттки анализ показал пренебрежимое изменение встроенного потенциала, подтверждая, что рост производительности происходит за счет улучшенного зарядопереноса, а не сдвига зонного выравнивания.

Заключение

Это исследование демонстрирует, что простая пост-обработка пленок PEDOT:PSS метанолом может существенно повысить проводимость (до 1105 С·см⁻¹) и, как следствие, КПД Si/PEDOT:PSS гибридных солнечных элементов (12,22 %). Улучшение атрибутируется селективному удалению PSS, конформационной реорганизации цепей PEDOT и снижению интерфейсной рекомбинации. Поскольку процесс включает только мягкое шелкографирование растворителя и низкотемпературный отжиг, он предлагает масштабируемый, экономичный путь к высокопроизводительной гибридной фотовольтаике.