Высокопроизводительные солнечные элементы PEDOT:PSS/n-Si с текстурированными поверхностями и электродами из серебряных нанопроводников

Аннотация

Гибридные гетероструктурные солнечные элементы (ГГСЭ) привлекательны своей простой архитектурой и низкой стоимостью производства. В этом исследовании мы спин-наносим высокопрозрачный проводящий полимер, поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS), непосредственно на n-тип кристаллический кремний (n-Si), который был микротекстурирован с использованием обычного химического травления. Оптимизируя условия покрытия, мы достигли КПД 8,54% с помощью простого раствористо-базированного процесса. Высокая эффективность возникает из конформного контакта между пленкой PEDOT:PSS и текстурированным кремнием. Дальнейшее улучшение получено заменой обычных серебряных сетчатых электродов на серебряные нанопроводники (AgNW), которые предлагают превосходную оптическую прозрачность и электрическую проводимость. Эта модификация подняла КПД до 11,07%, улучшение на 29,6% по сравнению с традиционными электродами. Наши результаты демонстрируют, что сочетание PEDOT:PSS с AgNW и текстурированным кремнием дает перспективный путь к высокоэффективным, низкозатратным солнечным элементам.

Введение

Кристаллический кремний доминирует на глобальном фотовольтаическом рынке, составляя примерно 90% продаж благодаря балансу производительности и стоимости. Гибридные гетероструктурные солнечные элементы, соединяющие n-кристаллический кремний с PEDOT:PSS, возникли как убедительная альтернатива, благодаря их безлегированному, безвакуумному, низкотемпературному, раствористо-процессированному производству. Текущий рекорд для PEDOT:PSS/n-Si ГГСЭ составляет 16,2% КПД, и разрыв в эффективности с обычными кремниевыми элементами стабильно сокращается.

В элементе PEDOT:PSS/n-Si кристаллический кремний выступает высокомобильным поглотителем, в то время как слой PEDOT:PSS служит прозрачным, проводящим дырочно-транспортирующим окном. Однако общая эффективность часто ограничивается качеством интерфейса PEDOT:PSS/n-Si. Инженерство интерфейса — через текстурирование поверхности, пассивирующие слои или заднеповерхностные поля — доказало свою эффективность в снижении рекомбинации и улучшении сбора зарядов.

Хотя многие стратегии фокусируются на плоских подложках, качество контакта между PEDOT:PSS и текстурированным кремнием было менее изучено. Текстурирование, обычно достигаемое щелочными травляющими, создает случайные микропирамиды, усиливающие светозахват, но также создающие проблемы для равномерного осаждения пленки. Более того, традиционные серебряные электроды могут страдать от ограниченной оптической прозрачности на текстурированных поверхностях. Серебряные нанопроводники предлагают решение, обеспечивая высокую прозрачность и проводимость, совместимую с капельным осаждением на текстурированных полимерах.

Методы

Подготовка текстурированных Si подложек для ГГСЭ

Мы использовали n-Si(100) Чоральски подложки (210 мкм толщиной, 1–3 Ом·см) в качестве подложек. После стандартной очистки SC1/SC2 подложки полировали в высококонцентрированном KOH растворе при 75 °C в течение 2–3 мин для удаления поврежденного слоя. Поверхности затем травляли в ванне 2 масс.% KOH / 2 масс.% изопропанол при 75 °C в течение 15–20 мин для формирования двухсторонней случайной пирамидальной структуры со средней высотой ~1 мкм. Финальная очистка RCA и краткое погружение в HF (0,5–1 мин) производили оксид-свободную, гидрофобную кремниевую поверхность, готовную для осаждения PEDOT:PSS.

Фабрикация Si/PEDOT:PSS гибридных солнечных элементов

Рисунок 1 иллюстрирует последовательность фабрикации. 200 нм алюминиевый тыльный контакт распыляли на обратной стороне подложки. Раствор PEDOT:PSS (Clevios PH1000) легировали 5 масс.% DMSO и 0,1 масс.% фторированным поверхностно-активным веществом (Capstone FS31) для улучшения проводимости и смачиваемости. Смесь спин-наносили с различными скоростями (1000–8000 об/мин) и отжигали при 130 °C в течение 15 мин. Для обычных электродов 200 нм серебряная сетка термически испаряли через теневую маску. Для варианта AgNW, 5 мг/мл дисперсия 50 нм диаметра, 100–200 мкм длины серебряных нанопроводников (XFNANO) в изопропаноле капельно наносили на подложку и сушили при 150 °C в течение 5 мин.

Схема подготовки n-Si/PEDOT:PSS солнечных элементов с (a–f) серебряными сетчатыми электродами или (a–e, g) серебряными нанопроводниками.

Характеризация устройств

Отражение измеряли интегрирующей сферой; СЭМ изображения получали на Hitachi S4800. Вольт-амперные характеристики (J-V) записывали под освещением AM 1.5 (100 мВт/см²) с использованием солнечного симулятора Oriel (94063A) и источника-измерителя Keithley 2400. Спектры поглощения получали на спектрофотометре UV-8000, а пропускная способность пленки PEDOT:PSS измеряли на спектрофотометре QEX10. Поверхностное сопротивление определяли четырехзондовым тестером (SDY-4).

Результаты и обсуждение

Улучшение оптических и электрических свойств пленки PEDOT:PSS через добавки — проверенная стратегия. Добавление 5 масс.% DMSO в раствор PEDOT:PSS увеличивает его проводимость на порядок, в то время как 0,1 масс.% FS31 снижает контактный угол на гидрофобном кремнии с 104,3° до гораздо более низкого значения, обеспечивая более равномерное покрытие.

Контактный угол между подложкой и раствором PEDOT:PSS без (a) и с (b) FS31.

Рисунок 3 показывает, что пленка PEDOT:PSS пропускает ~85% видимого света при покрытии 5000 об/мин. С DMSO и FS31 пропускание слегка увеличивается по всему диапазону 600–1000 нм, а поглощение пленки в диапазоне 400–600 нм улучшается, делая ее отличным оптическим окном.

Красный: поглощение PEDOT:PSS с добавками (400–1000 нм); синий: пропускание PEDOT:PSS с/без добавок и эталонное стекло.

Микропирамидальное текстурирование усиливает светозахват, снижая базовое отражение до ~10–20%. Добавление слоя PEDOT:PSS уменьшает отражение на ~5% по спектру, но точное значение зависит от скорости спин-наносения. Более высокие скорости спин-наносения увеличивают поверхностное натяжение, позволяя полимеру проникать в долины пирамид и улучшать контакт. Рисунки 4 и 5 иллюстрируют, что при 4000–5000 об/мин пленка тесно конформирует к текстуре, устраняя пустоты и максимизируя площадь p-n перехода. Однако при 8000 об/мин пленка становится слишком тонкой, оставляя зазоры, снижающие открытое напряжение.

СЭМ верхний вид текстурированного Si с пленкой PEDOT:PSS при скоростях спин-наносения 1000–5000 об/мин (a–e). (f) показывает непокрытую поверхность.

Поперечные сечения PEDOT:PSS на текстурированном Si при 4000 (a) и 5000 об/мин (b).

Измерения отражения (Рисунок 6) подтверждают, что слой PEDOT:PSS улучшает антирефлексионные свойства, особенно для длин волн 600–1000 нм. Оптимальная скорость спин-наносения балансирует толщину пленки (для минимизации паразитного поглощения) и покрытие перехода (для максимизации сбора зарядов). Лучшая производительность устройства — J_sc = 26,88 мА/см², FF = 62,1%, V_oc = 0,56 В, КПД = 11,07% — достигнута при покрытии 4000 об/мин и электродах из серебряных нанопроводников.

Кривые отражения для PEDOT:PSS покрытого текстурированного Si при различных скоростях спин-наносения и для непокрытой подложки.

J-V кривые (Рисунок 7) иллюстрируют четкую тенденцию: по мере увеличения скорости спин-наносения от 1000 до 5000 об/мин J_sc растет из-за улучшенной площади перехода и сниженной рекомбинации. Выше 5000 об/мин производительность падает, потому что пленка становится слишком тонкой.

J-V кривые для элементов с разными скоростями спин-наносения PEDOT:PSS.

Серебряные нанопроводники дополнительно улучшают метрики устройства, снижая последовательное сопротивление с 0,84 до 0,38 Ом·см², увеличивая FF с 62,1% до 72,2% и повышая V_oc с 0,51 до 0,56 В. AgNW также обеспечивают плазмонное рассеяние света, усиливая поглощение в диапазоне 400–700 нм и способствуя более высокой плотности тока короткого замыкания.

J-V кривые для PEDOT:PSS/n-Si элементов с серебряными нанопроводниками.

a) Поперечное сечение элемента с AgNW; b) крупный план контактной области.

Выводы

Добавляя DMSO и FS31 в PEDOT:PSS, мы достигли высокопроводящей, низкоконтактно-угловой пленки, хорошо конформирующейся к микротекстурированному кремнию. Оптимизация скорости спин-наносения до 4000 об/мин максимизирует площадь перехода, сохраняя 적절한 толщину пленки, давая КПД 11,07% с электродами из серебряных нанопроводников. Этот подход предлагает простой, масштабируемый путь к высокоэффективным, низкозатратным гибридным солнечным элементам.