Celdas Solares Híbridas Orgánico-Silicio Nanoestructurado Mejoradas vía Modificación Superficial para Eficiencia Superior

Resumen

Los nanohilos de silicio (SiNWs) con excelentes propiedades atrapamiento luz se han aplicado ampliamente en dispositivos fotovoltaicos, proveyendo oportunidades para impulsar fotones cosechados por Si. Sin embargo, los portadores fotoexcitados son fácilmente atrapados y recombinados por alta densidad defectos superficiales debido a mayor área superficial prolongándose a profundidad nanohilo. En este trabajo, para reducir defectos superficiales y tasa recombinación SiNWs, un proceso simple solución modifica estructura superficial. Aplicar tratamiento tetrametil amonio hidróxido (TMAH) conduce a superficie Si NW lisa y cónica, que mejora voltaje circuito abierto (V_oc) y factor llenado (FF) notablemente. Así, eficiencia conversión potencia (PCE) campeona 14,08 % lograda para dispositivo híbrido Si nanoestructurado/PEDOT:PSS por tratamiento TMAH 60 s. También indica que tratamiento TMAH promete método simple y efectivo para mejorar dispositivos basados Si NW.

Introducción

Para dispositivos fotovoltaicos, la eficiencia conversión energía está directamente asociada con propiedad absorción fotos, significando más incidencia foto, mayor cantidad electrones generados. Así, propiedades atrapamiento luz fotovoltaicas investigadas en muchos trabajos. Nanoestructuras silicio como nanohilo, nanocono, o arrays pirámide se han aplicado ampliamente debido excelentes propiedades antirreflexión, proveyendo oportunidades impulsar fotos cosechados por Si. Estas nanoestructuras pueden fabricarse variedad métodos, incluyendo grabado asistido metal, crecimiento vapor-líquido-sólido, grabado iónico reactivo, y fabricación láser. Sin embargo, a pesar fuerte mejora óptica, un problema es alta recombinación superficial, que ocurre con alta densidad defectos superficiales asociados nanoestructura. El aumento recombinación portadores foto-generados disminuye eficiencia celda reduciendo factor llenado (FF) y voltaje circuito abierto (V_oc) de dispositivo. Esto representa importancia modificar nanoestructuras superficiales para lograr celda solar nanoestructura-alta rendimiento.

Aquí, fabricamos celdas solares heterounión PEDOT:PSS/Si híbridas en wafers silicio nanoestructurados, con diversas morfologías y áreas superficiales. El polímero conductor, PEDOT:PSS, causa capa agotamiento formada en Si, debido su función trabajo adecuada. Cuando fotones incidentes cosechados sustrato Si, pares electrón-hueco generados. Pares foto-generados se disocian en región agotamiento. Las nanoestructuras en celdas híbridas PEDOT:PSS/Si son más representativas porque capa polímero PEDOT:PSS recubre sustrato texturizado. El área superficial y recombinación superficial están directamente asociadas con cantidad huecos transferidos electrodos. Además, implementación nanoestructuras en celdas híbridas PEDOT:PSS/Si es más desafiante porque capa uniforme PEDOT:PSS rara vez puede recubrirse conformalmente sustrato texturizado debido sus características poliméricas. PEDOT:PSS y nanoestructuras Si necesitan permitir polímeros infiltrar y formar películas delgadas superficie.

En este trabajo, exploramos tratamiento TMAH para modificar superficie Si NW, fabricado por método grabado asistido metal. Controlando tiempo grabado, desarrollamos nanoestructura superficial novedosa, que logra balance propiedad atrapamiento luz y defectos superficiales. Tras reducir defectos superficiales puliendo superficie silicio y disminuyendo nanohilo, el valor reflectancia sigue bajo. Además, vida media efectiva portador minoritario ha mejorado mucho. Dispositivo híbrido PEDOT:PSS/Si usando nanoestructura Si modificada alcanza eficiencia conversión potencia (PCE) 14,08 % con corriente cortocircuito (J_sc) 31,53 mA/cm², FF 0,71, y V_oc 0,632 V.

Metodología

Fabricación Nanoestructura Si

Proceso fabricación Si NW seguido por método grabado asistido metal dos pasos. Sustratos Si (0,05-0,1 Ω·cm, 300-µm grueso) cortados 1,5 × 1,5 cm². Solución mezclada AgNO₃ (1 mM) y HF (0,5 % vol) usada depositar nanopartículas plata. Tiempo deposición fijado 60 s. Luego, muestras transferidas inmediatamente solución grabado. Solución grabador contiene HF (12,5 % vol) y H₂O₂ (3 % vol). Nanohilos Si alineados verticalmente formados grabando silicio en área sin cobertura nanopartículas plata. Para remover nanopartículas plata, nanoestructuras silicio sumergidas HNO₃ concentrado 5 min, seguido enjuague agua DI 3 min. Antes tratamiento TMAH, necesitamos remover capa delgada SiO₂ formada durante tratamiento HNO₃. Muestras luego grabadas varios tiempos en TMAH (1 % vol) solución temperatura ambiente para disminuir área superficial nanoestructuras silicio.

Célula Solar Heterounión PEDOT:PSS/Si

Tras preparar sustratos Si nanoestructurados, película PEDOT:PSS depositada por spin-coating sobre sustrato Si. PEDOT:PSS contiene 1 % peso surfactante Trion X-100 y 5 % peso dimetil sulfóxido (DMSO) mejorar conductividad. Sustrato recubierto película PEDOT:PSS recocido 125 °C 15 min remover solvente agua. Finalmente, plata y aluminio depositados lado frontal y trasero dispositivo como electrodos. Área activa dispositivo definida por máscara sombreado 0,8 cm².

Caracterización Dispositivo

Imágenes alta resolución nanoestructuras obtenidas microscopio electrónico barrido (SEM) (Carl Zeiss Suppra, 55). Vida media portador minoritario mapeada con mapa fotoconductividad detectada microondas MDP (Freiberg Instrument GmbH). Espectros reflexión medidos esfera integradora (Perkin-Elmer Lambda 700). Características celda solar probadas simulador solar (Newport, 91160) equipado lámpara xenón (300 W) y filtro AM 1,5. Intensidad irradiación 100 mW/cm², calibrada celda solar Si estándar (Newport, 91150). Eficiencia cuántica externa (EQE) adquirida setup monocromador Newport 74125 y medidor potencia 1918 con detector Si 918D.

Resultados y Discusión

Morfología y Caracterización Óptica Sustrato SiNW por Tratamiento TMAH

Imágenes SEM nanoestructura Si alta densidad fabricada muestran Fig. 1a. Si NWs distribuidos uniformemente wafer Si con diámetro promedio alambre 30-50 nm. Nanohilos fabricados grabado químico asistido metal dos pasos. Primer paso, nanopartículas Ag auto-ensamblan vía reducción oxidación entre Ag y Si; segundo paso, grabado vertical en solución grabador mixta HF y H₂O₂. Vemos densidad Si NW muy alta, junto gran área superficial. Figura 1b-d muestra imágenes SEM Si NW sometidos diferentes tiempos grabado anisotrópico TMAH 50-70 s. Altura ~120, 100, 95 nm tras grabado 50, 60, 70 s, respectivamente. Proceso grabado claramente cambia morfología nanoestructura. Como concentración TMAH y temperatura grabado constantes, al aumentar tiempo grabado, más SiNWs porosos grabados. Vemos tratamiento TMAH permite dispersar y cónico Si NWs. Además, grabado anisotrópico TMAH forma pirámides invertidas fondo nanohuecos, obvio tras 60 s grabado. Aparición pirámides invertidas no solo disminuye dramáticamente área superficial silicio nanoestructurado sino también atrapa luz efectivamente.

Para evaluar características captación luz nanoestructuras, reflectancia medida, como muestra Fig. 2a. Para Si NW tal cual, reflectancia relativamente baja longitud onda 300-1100 nm. Para estructuras tras tratamiento TMAH, propiedad atrapamiento luz no tan buena como estructura original Si NW. Sin embargo, reflectancia óptica promedio sigue baja comparada sustrato Si plano todas longitudes onda. Además, pérdida luz contribuye reducir defectos superficiales.

Recombinación Superficial Sustrato Si NW por Tratamiento TMAH

Para determinar reducción defectos superficiales, vida media efectiva portador minoritario medida y empleada evaluar mecanismos recombinación. Figura 2b muestra vida media efectiva portador (τ_eff) dependiente nivel inyección diferentes muestras proceso grabado. Tendencia forma curva casi misma estos sustratos: τ_eff aumenta con nivel inyección creciente. Mismo nivel inyección, sustratos Si nanoestructurados tratados TMAH exhiben mayor τ_eff que Si NW. Figura 3a, b muestra diagrama esquemático medición vida media carga minoritaria. Fotoconductividad, estrechamente relacionada concentración portadores, medida absorción microondas durante y tras excitación pulso láser rectangular. Figura 3c-f muestra mapeo vida media minoritaria diferentes muestras nivel inyección 5 × 10¹⁷ cm⁻³. Vida media promedio portador minoritario sustrato Si NW prístino solo 8,1 µs, mientras muestras tratamiento TMAH son 13,6 µs (50 s), 17,0 µs (60 s), 19,4 µs (70 s).

La vida media portador minoritario celda solar silicio sigue ecuación:

$$ \frac{1}{\tau_{\mathrm{eff}}}=\frac{1}{\tau_{\mathrm{bulk}}}+\frac{2S}{W} $$

donde τ vida media efectiva, τ_bulk vida media recombinación volumen, S tasa recombinación superficial, W espesor wafer. El aumento vida media portador minoritario indica menor tasa recombinación superficial ya que tanto recombinación volumen como espesor constantes todas muestras. Al aumentar tiempo grabado, número Si NWs disminuye, significando menos defecto superficial. Como sabemos, portadores foto-generados susceptibles pérdida recombinación superficial. Con área superficial nanoestructuras significativamente disminuida, se anticipa procesos recombinación superficial disminuyen también. A su vez, combinando purificación superficial y reducción área superficial, recombinación carga puede suprimirse dramáticamente. Para 50, 60, 70 s grabado, área superficial disminuye junto superficie más lisa, resultan menos defecto superficial y baja tasa recombinación. Si aumentamos más tiempo grabado TMAH, nanoestructura silicio disminuirá y valor reflectancia será mucho mayor.

Rendimiento Dispositivo Celda Solar

Estructura dispositivo celda solar híbrida PEDOT:PSS/Si mostrada Fig. 4a. Rendimiento dispositivos resumido Tabla 1. Curvas densidad corriente vs voltaje (J-V) dispositivos diferentes sustratos Si nanoestructurados graficadas Fig. 4b. Dispositivo base Si NW exhibe PCE 11,02 %, V_oc 0,584 V, J_sc 29,24 mA·cm⁻², FF 0,64. Por muchos defectos nanoestructura, V_oc relativamente bajo. Tras Si NW pulido tratamiento TMAH, rendimientos dispositivos mejoran mucho. Proceso grabado 50 s, dispositivo rinde PCE 13,34 %, V_oc 0,630 V, J_sc 30,25 mA·cm⁻², FF 0,70. Dispositivos 60 s grabado, rendimiento PCE, V_oc, J_sc, FF son 14,08 %, 0,632 V, 31,53 mA·cm⁻², 0,632. Dispositivo 70 s grabado exhibe PCE 12,16 %, V_oc 0,628 V, J_sc 27,27 mA·cm⁻², FF 0,71. Encontramos V_oc y FF mejorados mucho.

Hay dos razones esta mejora. Primera: recombinación suprimida superficie frontal tras pulido TMAH, testificada medida vida media minoritaria. Además, medición EQE Fig. 4c, respuesta espectral azul (400-500 nm) dispositivos dependió mucho estructura sustrato. Con aumento tiempo grabado, EQE región azul aumenta. Sin embargo, espectros reflexión, pequeña diferencia entre diferentes procesos nano-estructuración esta región. Así, atribuido a procesos recombinación superficial aumentados en alta área superficial nanoestructuras. Región longitud onda grande, EQE disminuye al crecer tiempo grabado. Coincide bien propiedades reflexión.

Segunda razón: resistencia contacto. Como muestra Fig. 5a, capa PEDOT:PSS rara vez recubierta conformalmente sustrato Si NW base aleatorio, alta-denso. Sin embargo, cuando tratamiento TMAH aplicado, nanohilos cónicos y dispersos. Durante spin coating, PEDOT:PSS puede filtrar huecos, mostrado Fig. 5b. Además, tratamiento TMAH induce grupos OH superficie Si NW, que aumentan capacidad adherencia Si NW y PEDOT:PSS. Así, área contacto película PEDOT:PSS y sustrato nanoestructura pulida mucho mayor que dispositivos Si NW. Esto significa resistencia transferencia y recolección carga superficie frontal reducida por tratamiento TMAH.

Adicionalmente, curva J-V oscuridad mostrada Fig. 4d. Se observó densidad corriente saturación (J₀) suprimida significativamente tras aplicar tratamiento TMAH. Comúnmente aceptado V_oc depende fuertemente propiedades interfaz donde bajo J₀ indica alta calidad unión. Disminución J₀ posteriormente favorece separación carga más eficiente interfaz y conduce aumento V_oc, consistente con rendimiento dispositivo.

Conclusiones

En conclusión, hemos modificado estructura sustrato Si para celda solar híbrida Si/polímero con tratamiento TMAH controlado. Este tratamiento puede cónico y dispersar Si NWs, reduciendo área superficial y defectos. Vida media portador minoritario mejora debido a minimizar defecto superficial y tasa recombinación superficial. Con tratamiento TMAH 60 s, PCE 14,08 % logrado para celda solar híbrida Si/polímero. Este simple proceso modificación superficial promete método efectivo para fotovoltaicos basados Si nanoestructurado.

Abreviaturas

EQE:

Eficiencia cuántica externa

FF:

Factor llenado

J_sc:

Corriente cortocircuito

PCE:

Eficiencia conversión potencia

PEDOT:PSS:

Poli(3,4-etilendioxitiofeno):poli(estirenosulfonato)

SEM:

Microscopio electrónico barrido

Si NWs:

Nanohilos silicio

TMAH:

Tetrametil amonio hidróxido

V_oc:

Voltaje circuito abierto