Hochleistungs-PEDOT:PSS/n-Si-Solarzellen mit texturierten Oberflächen und Silbernanodraht-Elektroden

Zusammenfassung

Hybrid-Heterojunction-Solarzellen (HHSCs) sind aufgrund ihrer einfachen Architektur und kostengünstigen Fertigung attraktiv. In dieser Studie spinnen wir ein hochtransparent leitfähiges Polymer, Poly(3,4-ethylendioxythiophen):poly(styrensulfonat) (PEDOT:PSS), direkt auf n-typ kristallines Silizium (n-Si), das mittels konventionellem chemischem Ätzen mikrotexturiert wurde. Durch Optimierung der Beschichtungsbedingungen erreichten wir eine Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) von 8,54 % mit einem unkomplizierten lösungsbasierten Prozess. Die hohe Effizienz resultiert aus konformem Kontakt zwischen PEDOT:PSS-Film und texturiertem Silizium. Weitere Steigerung wurde durch Ersetzen konventioneller Silbergitterelektroden durch Silbernanodrähte (AgNWs) erzielt, die überlegene optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit bieten. Diese Modifikation hob die PCE auf 11,07 %, eine 29,6 % Verbesserung gegenüber traditionellen Elektroden. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass die Kombination von PEDOT:PSS mit AgNWs und texturiertem Silizium einen vielversprechenden Weg zu hocheffizienten, kostengünstigen Solarzellen darstellt.

Hintergrund

Kristallines Silizium dominiert den globalen Photovoltaikmarkt mit ~90 % Marktanteil aufgrund seiner Balance aus Leistung und Kosten. Hybrid-Heterojunction-Solarzellen, die n-kristallines Silizium mit PEDOT:PSS paaren, haben sich als überzeugende Alternative etabliert, dank ihrer dopantfreien, vakuumfreien, niedrigtemperatur, lösungsprozessierten Fertigung. Der aktuelle Rekord für eine PEDOT:PSS/n-Si HHSC liegt bei 16,2 % PCE, und die Effizienzlücke zu konventionellen Siliziumzellen schließt sich stetig.

In einer PEDOT:PSS/n-Si-Zelle fungiert kristallines Silizium als Hochmobilitäts-Absorber, während die PEDOT:PSS-Schicht als transparentes, leitfähiges Lochtransport-Fenster dient. Die Gesamteffizienz wird jedoch oft durch die Qualität der PEDOT:PSS/n-Si-Grenzfläche limitiert. Grenzflächenengineering – durch Oberflächentexturierung, Passivierungsschichten oder Rückseitenfelder – hat sich als effektiv erwiesen, um Rekombination zu reduzieren und Ladungseinsammlung zu verbessern.

Während viele Strategien auf planaren Substraten fokussieren, wurde die Kontaktqualität zwischen PEDOT:PSS und texturiertem Silizium weniger erforscht. Texturierung, typischerweise mit alkalischen Ätzmitteln erreicht, erzeugt zufällige Mikropyramiden, die Lichtfang verbessern, aber auch Herausforderungen für uniforme Filmausbildung darstellen. Zudem können traditionelle Silberelektroden auf texturierten Oberflächen unter begrenzter optischer Transparenz leiden. Silbernanodrähte bieten eine Lösung, indem sie hohe Transparenz und Leitfähigkeit bieten und mit Drop-Casting auf texturierte Polymere kompatibel sind.

Methoden

Präparation texturierter Si-Substrate für HHSCs

Wir verwendeten n-Si(100) Czochralski-Wafer (210 µm dick, 1–3 Ω·cm) als Substrate. Nach standardmäßiger SC1/SC2-Reinigung wurden Wafer in hochkonzentrierter KOH-Lösung bei 75 °C für 2–3 min poliert, um die beschädigte Schicht zu entfernen. Die Oberflächen wurden dann in einem 2 Gew.% KOH / 2 Gew.% Isopropanol-Bad bei 75 °C für 15–20 min geätzt, um eine beidseitige zufällige Pyramidenstruktur mit durchschnittlicher Höhe von ~1 µm zu bilden. Endgültige RCA-Reinigung und kurzer HF-Dip (0,5–1 min) erzeugten eine oxidfreie, hydrophobe Siliziumoberfläche, bereit für PEDOT:PSS-Deposition.

Fertigung von Si/PEDOT:PSS Hybrid-Solarzellen

Abbildung 1 illustriert die Fertigungssequenz. Ein 200 nm Aluminium-Rückkontakt wurde auf die Wafer-Rückseite gesputtert. Die PEDOT:PSS-Lösung (Clevios PH1000) wurde mit 5 Gew.% DMSO und 0,1 Gew.% Fluorid-Surfaktant (Capstone FS31) dotiert, um Leitfähigkeit und Benetzung zu verbessern. Das Gemisch wurde bei verschiedenen Drehzahlen (1.000–8.000 rpm) gespinnt und bei 130 °C für 15 min geglüht. Für konventionelle Elektroden wurde ein 200 nm Silbergitter thermisch durch eine Schattenmaske verdampft. Für die AgNW-Variante wurde eine 5 mg/mL Dispersion von 50 nm Durchmesser, 100–200 µm langen Silbernanodrähten (XFNANO) in Isopropanol auf den Wafer getropft und bei 150 °C für 5 min getrocknet.

Schematik der Präparation von n-Si/PEDOT:PSS-Solarzellen mit (a–f) Silbergitterelektroden oder (a–e, g) Silbernanodrahtelektroden.

Gerätecharakterisierung

Reflexion wurde mit einer Integrationskugel gemessen; REM-Bilder mit Hitachi S4800 aufgenommen. Strom-Spannung (J-V) Charakteristiken wurden unter AM 1,5 (100 mW/cm²) Beleuchtung mit einem Oriel Solarsimulator (94063A) und Keithley 2400 Quellmessgerät aufgezeichnet. Absorptionsspektren erhielten wir mit einem UV-8000 Spektrophotometer, und Transmissionsmessungen des PEDOT:PSS-Films mit einem QEX10 Spektrophotometer. Schichtwiderstand wurde mit einem Vierpunkt-Messgerät (SDY-4) bestimmt.

Ergebnisse und Diskussion

Die Verbesserung der optischen und elektrischen Eigenschaften des PEDOT:PSS-Films via Additive ist eine bewährte Strategie. Die Zugabe von 5 Gew.% DMSO zur PEDOT:PSS-Lösung erhöht deren Leitfähigkeit um eine Größenordnung, während 0,1 Gew.% FS31 den Benetzungswinkel auf hydrophobem Silizium von 104,3° auf einen deutlich niedrigeren Wert reduziert, was gleichmäßigere Beschichtung ermöglicht.

Kontaktwinkel zwischen Wafer und PEDOT:PSS-Lösung ohne (a) und mit (b) FS31.

Abbildung 3 zeigt, dass der PEDOT:PSS-Film ~85 % des sichtbaren Lichts transmittiert, wenn bei 5.000 rpm beschichtet. Mit DMSO und FS31 steigt Transparenz leicht im 600–1.000 nm Bereich, und die Absorption des Films im 400–600 nm Bereich verbessert sich, was ihn zu einem exzellenten optischen Fenster macht.

Rot: Absorption von PEDOT:PSS mit Additiven (400–1.000 nm); Blau: Transmission von PEDOT:PSS mit/ohne Additive und Referenzglas.

Mikropyramidale Texturierung verbessert Lichtfang, reduziert Basisreflexion auf ~10–20 %. Hinzufügen einer PEDOT:PSS-Schicht senkt Reflexion um ~5 % über das Spektrum, aber der genaue Wert hängt von der Spingeschwindigkeit ab. Höhere Spingeschwindigkeiten erhöhen Oberflächenspannung, wodurch das Polymer in die Pyramidentäler eindringt und Kontakt verbessert. Abbildungen 4 und 5 illustrieren, dass bei 4.000–5.000 rpm der Film der Textur eng folgt, Hohlräume eliminiert und Übergangsbereich maximiert. Bei 8.000 rpm wird der Film jedoch zu dünn, hinterlässt Lücken, die die Leerlaufspannung reduzieren.

REM-Aufsichtsbilder von texturiertem Si mit PEDOT:PSS-Film bei Spingeschwindigkeiten 1.000–5.000 rpm (a–e). (f) zeigt die unbeschichtete Oberfläche.

Querschnittsansichten von PEDOT:PSS auf texturiertem Si bei 4.000 (a) und 5.000 rpm (b).

Reflexionsmessungen (Abb. 6) bestätigen, dass die PEDOT:PSS-Schicht Antireflexion verbessert, besonders für Wellenlängen 600–1.000 nm. Die optimale Spingeschwindigkeit balanciert Schichtdicke (um parasitäre Absorption zu minimieren) und Übergangsabdeckung (um Ladungseinsammlung zu maximieren). Die beste Geräteleistung – J_sc = 26,88 mA/cm², FF = 62,1 %, V_oc = 0,56 V, PCE = 11,07 % – wurde mit 4.000 rpm Beschichtung und Silbernanodrahtelektroden erreicht.

Reflexionskurven für PEDOT:PSS-beschichtetes texturiertes Si bei verschiedenen Spingeschwindigkeiten und für unbeschichtetes Substrat.

Die J-V-Kurven (Abb. 7) illustrieren den klaren Trend: mit steigender Spingeschwindigkeit von 1.000 auf 5.000 rpm steigt J_sc aufgrund verbesserter Übergangsfläche und reduzierter Rekombination. Über 5.000 rpm fällt die Leistung, da der Film zu dünn wird.

J-V-Kurven für Zellen mit unterschiedlichen PEDOT:PSS-Spingeschwindigkeiten.

Silbernanodrahtelektroden verbessern Gerätekennwerte weiter, indem sie Serienwiderstand von 0,84 auf 0,38 Ω·cm² senken, FF von 62,1 % auf 72,2 % erhöhen und V_oc von 0,51 auf 0,56 V steigern. Die AgNWs bieten auch plasmonische Lichtstreuung, was Absorption im 400–700 nm Bereich verstärkt und zu höherer Kurzschlussstromdichte beiträgt.

J-V-Kurven für PEDOT:PSS/n-Si-Zellen mit Silbernanodrahtelektroden.

a) Querschnittsansicht einer Zelle mit AgNWs; b) Nahaufnahme des Kontaktbereichs.

Schlussfolgerungen

Durch Zugabe von DMSO und FS31 zu PEDOT:PSS erreichten wir einen hochleitfähigen, niedrig-benetzungswinkligen Film, der sich gut an mikrotexturiertes Silizium anpasst. Optimierung der Spin-Coating-Rate auf 4.000 rpm maximiert Übergangsfläche bei Erhalt angemessener Schichtdicke, was eine PCE von 11,07 % mit Silbernanodrahtelektroden liefert. Dieser Ansatz bietet einen einfachen, skalierbaren Weg zu hocheffizienten, kostengünstigen Hybrid-Solarzellen.