Performa Tinggi Sel Surya Hibrida Silikon Organik-Nanostruktur dengan Struktur Permukaan yang Dimodifikasi

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Morfologi dan Optik Substrat SiNW dengan Perlakuan TMAH

Gambar SEM dari struktur nano Si berkepadatan tinggi yang dibuat ditunjukkan pada Gambar. 1a. Si NW terdistribusi secara merata pada wafer Si dengan ukuran diameter kawat rata-rata 30 hingga 50 nm. Kawat nano dibuat dari etsa kimia berbantuan logam dua langkah [20]. Langkah pertama, nanopartikel Ag dirakit sendiri melalui reduksi dan oksidasi antara Ag dan Si dan, langkah kedua, digores secara vertikal dalam larutan etsa campuran yang terdiri dari HF dan H₂ O₂ . Kita dapat melihat bahwa densitas Si NW sangat tinggi, bersama dengan luas permukaan yang besar. Gambar 1b–d menunjukkan gambar SEM Si NW yang mengalami waktu etsa TMAH anisotropik yang berbeda dari 50 hingga 70 detik. Tingginya sekitar 120, 100, dan 95 nm setelah waktu etsa masing-masing 50, 60, dan 70 s. Proses etsa jelas mengubah morfologi struktur nano [22, 23]. Karena konsentrasi TMAH dan suhu etsa konstan, dengan bertambahnya waktu etsa, SiNW lebih berpori yang tergores. Kita dapat melihat bahwa perlakuan TMAH memungkinkan untuk sparse dan lancip Si NWs. Selain itu, etsa TMAH anisotropik membentuk piramida terbalik di bagian bawah lubang nano, yang terlihat jelas setelah etsa 60 detik. Munculnya piramida terbalik tidak hanya secara dramatis mengurangi luas permukaan silikon berstruktur nano tetapi juga memerangkap cahaya secara efektif.

Gambar SEM dari struktur nano Si yang berbeda. a As-fabrikasi Si NW, Si NW dengan waktu etsa TMAH b 50, c 60, dan d 70 s

Untuk mengevaluasi karakteristik pemanenan cahaya dari struktur nano, reflektansi diukur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. Untuk Si NW buatan, pemantulan relatif rendah pada panjang gelombang berkisar antara 300 hingga 1100 nm. Untuk struktur setelah perlakuan TMAH, sifat light trapping tidak sebaik struktur Si NW asli. Namun, rata-rata reflektansi optik masih rendah dibandingkan dengan substrat planar Si di semua panjang gelombang. Selain itu, hilangnya cahaya berkontribusi untuk mengurangi cacat permukaan.

Refleksi dan karakterisasi masa pakai pembawa minoritas dari struktur nano Si yang berbeda. a Spektrum pantulan berbagai sampel:substrat Si planar, Si NW tanpa dan dengan waktu TMAH berbeda. b Injeksi tergantung masa pakai pembawa minoritas dari sampel yang berbeda

Rekombinasi Permukaan Substrat Si NW dengan Perlakuan TMAH

Untuk menentukan pengurangan cacat permukaan, masa pakai pembawa minoritas yang efektif diukur dan digunakan untuk mengevaluasi mekanisme rekombinasi. Gambar 2b menunjukkan masa pakai carrier efektif yang bergantung pada tingkat injeksi (τ _eff ) dari sampel proses etsa yang berbeda. Tren bentuk kurva hampir sama untuk substrat ini:τ _eff meningkat dengan meningkatnya tingkat injeksi. Pada tingkat injeksi yang sama, substrat Si berstrukturnano yang diolah dengan TMAH menunjukkan τ yang lebih tinggi _eff daripada Si NW satu. Gambar 3a, b menampilkan diagram skema pengukuran umur muatan minoritas. Fotokonduktivitas, yang terkait erat dengan konsentrasi pembawa, diukur dengan penyerapan gelombang mikro selama dan setelah eksitasi dengan pulsa laser persegi panjang. Gambar 3c–f menampilkan pemetaan umur minoritas sampel yang berbeda pada tingkat injeksi 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Rata-rata masa pakai pembawa minoritas dari substrat Si NW murni hanya 8,1 s, sedangkan untuk sampel dengan perlakuan TMAH adalah 13,6 s (50 s), 17,0 s (60 s), dan 19,4 s (70 s).

Pemetaan masa pakai pembawa muatan minoritas untuk sampel Si yang berbeda. Diagram skema masa pakai pembawa muatan minoritas:a instruksi pengukuran dan b mekanisme pengukuran masa pakai pembawa:fotokonduktivitas, yang terkait erat dengan konsentrasi pembawa, diukur dengan penyerapan gelombang mikro selama dan setelah eksitasi dengan pulsa laser persegi panjang. c Si NW tanpa perlakuan TMAH; Si NW dengan pengobatan TMAH untuk d 50, e 60, dan f 70 s. Ukuran setiap gambar adalah 1,5 × 1,5 cm ²

Masa pakai pembawa minoritas sel surya silikon mengikuti persamaan di bawah ini:[24].

dimana τ adalah masa hidup yang efektif, τ _massal adalah masa rekombinasi massal, S adalah tingkat rekombinasi permukaan, dan A adalah ketebalan wafer. Peningkatan masa pakai pembawa minoritas menunjukkan tingkat rekombinasi permukaan yang lebih rendah karena rekombinasi massal dan ketebalan konstan untuk semua sampel. Ketika waktu etsa meningkat, jumlah Si NWs berkurang, yang berarti lebih sedikit cacat permukaan. Seperti yang kita ketahui, pembawa foto yang dihasilkan rentan terhadap kehilangan rekombinasi permukaan. Dengan berkurangnya luas permukaan struktur nano secara signifikan, diperkirakan bahwa proses rekombinasi permukaan juga berkurang. Pada gilirannya, dalam kombinasi dengan pemurnian permukaan dan pengurangan luas permukaan, rekombinasi muatan dapat ditekan secara dramatis. Untuk etsa 50, 60, dan 70, luas permukaan berkurang seiring dengan permukaan yang lebih halus, menghasilkan lebih sedikit cacat permukaan dan tingkat rekombinasi yang rendah. Jika kita lebih meningkatkan waktu etsa TMAH, struktur nano silikon akan berkurang dan nilai reflektansi akan jauh lebih tinggi.

Kinerja Perangkat Sel Surya

Struktur perangkat sel surya hibrida PEDOT:PSS/Si ditunjukkan pada Gambar 4a. Performa perangkat dirangkum dalam Tabel 1. Kurva kerapatan arus versus tegangan (J-V) perangkat dengan substrat Si berstruktur nano berbeda diplot pada Gambar. 4b. Perangkat berbasis Si NW menunjukkan PCE 11,02%, V _ok 0,584 V, J _sc dari 29,24 mA·cm ⁻² , dan FF sebesar 0,64. Karena banyaknya cacat dari struktur nano, V _ok relatif rendah. Setelah Si NW dipoles dengan perawatan TMAH, kinerja perangkat meningkat pesat. Untuk proses etsa 50 detik, perangkat menghasilkan PCE 13,34%, V _ok dari 0,630 V, J _sc dari 30,25 mA·cm ⁻² , dan FF sebesar 0,70. Untuk perangkat etsa 60-d, kinerja PCE, V _ok , J _sc , dan FF adalah 14,08%, 0,632 V, 31,53 mA·cm ⁻² , dan 0,632. Dan perangkat substrat berbasis etsa 70 detik menunjukkan PCE 12,16%, V _ok dari 0,628 V, J _sc dari 27,27 mA·cm ⁻² , dan FF sebesar 0,71. Kita dapat menemukan V _ok dan FF telah banyak ditingkatkan.

Performa perangkat sel surya hibrida Si/PEDOT:PSS:a struktur perangkat sel surya hibrida PEDOT:PSS/Si, b kurva densitas-tegangan arus (J-V) perangkat berdasarkan substrat Si berstrukturnano yang berbeda, c spektrum efisiensi kuantum eksternal, dan d Kurva J-V di bawah gelap

Ada dua alasan untuk peningkatan ini. Yang pertama adalah bahwa rekombinasi telah ditekan di permukaan depan setelah perawatan pemolesan TMAH, yang dibuktikan dengan pengukuran seumur hidup minoritas. Selain itu, dari pengukuran EQE yang ditunjukkan pada Gambar 4c, respons spektral biru (400 hingga 500 nm) perangkat sangat bergantung pada struktur substrat. Dengan bertambahnya waktu etsa, EQE di wilayah biru meningkat. Namun, dari spektrum refleksi, ada perbedaan kecil antara proses penataan nano yang berbeda di wilayah ini. Jadi, ini dikaitkan dengan peningkatan proses rekombinasi permukaan pada area permukaan struktur nano yang tinggi. Di wilayah panjang gelombang besar, EQE menurun seiring bertambahnya waktu etsa. Ini sangat cocok dengan properti refleksi.

Alasan kedua adalah tentang resistansi kontak. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, lapisan PEDOT:PSS jarang dapat dilapisi secara selaras pada substrat acak berbasis Si NW dengan kepadatan tinggi. Namun, ketika perawatan TMAH telah diterapkan, kawat nano telah meruncing dan jarang. Selama proses spin coating, PEDOT:PSS dapat meresap ke dalam celah, ditunjukkan pada Gambar 5b. Selain itu, perlakuan TMAH menginduksi gugus OH di atas permukaan Si NW, yang meningkatkan kemampuan menempel Si NW dan PEDOT:PSS [25, 26]. Dengan demikian, bidang kontak film PEDOT:PSS dan substrat struktur nano yang dipoles jauh lebih besar daripada perangkat Si NW. Ini berarti resistensi transfer muatan dan pengumpulan di permukaan depan dapat dikurangi dengan perawatan TMAH.

Gambar SEM PEDOT:PSS pada substrat Si berstruktur nano:a substrat tanpa perlakuan TMAH dan b substrat dengan perlakuan TMAH (60 dtk)

Selain itu, kurva J-V gelap ditunjukkan pada Gambar. 4d. Diamati bahwa rapat arus saturasi (J ₀ ) ditekan secara signifikan setelah menerapkan pengobatan TMAH. Sudah diterima secara umum bahwa V _ok sangat tergantung pada properti di antarmuka di mana J . rendah ₀ menunjukkan kualitas persimpangan tinggi [27,28,29,30]. Penurunan J ₀ selanjutnya mendukung pemisahan muatan yang lebih efisien pada antarmuka dan mengarah pada peningkatan V _ok , yang konsisten dengan kinerja perangkat.