Lapisan Transport Lubang PEDOT:PSS Ditingkatkan Metanol Meningkatkan Efisiensi Sel Surya Hibrid Silikon/Organik hingga 12,2%

Abstrak

Dalam penelitian eksperimental terbaru, sel surya hibrid silikon/organik yang efisien difabrikasi menggunakan dimetil sulfoksida (DMSO) dan campuran PEDOT:PSS yang di-dop surfaktan. Dengan mematikan film PEDOT:PSS dengan pelarut polar, performa perangkat dapat ditingkatkan lebih lanjut. Kami menemukan bahwa polaritas pelarut yang lebih tinggi menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi. Perawatan metanol menghasilkan konduktivitas PEDOT:PSS sebesar 1105 S cm⁻¹ dan sel hibrid yang sesuai mencapai rekaman efisiensi 12,22 %. Spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) dan spektroskopi Raman mengungkapkan bahwa penghapusan PSS yang isolatif dan perubahan konformasi dalam polimer adalah kunci dari peningkatan performa. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) menunjukkan bahwa perangkat yang dirawat metanol menunjukkan resistensi rekombinasi dan kapasitansi yang lebih besar, menekankan efektivitas pendekatan sederhana dan biaya rendah ini.

Latar Belakang

Sel surya hibrid silikon/organik menggabungkan serapan tinggi dari silikon kristal dengan sifat ringan dan dapat diproses dalam larutan dari lapisan organik, menawarkan jalan menuju fotovoltaik yang hemat biaya dan suhu rendah. Lapisan transport lubang (HTL) sangat penting untuk ekstraksi muatan dan resistensi seri; PEDOT:PSS, polimer konduktif, banyak digunakan sebagai HTL dalam elektronik organik karena konduktivitas dan transparansi optik yang tinggi. Namun, komponen sulfonat polistiren (PSS) yang isolatif membatasi performanya. Studi sebelumnya telah menggunakan pelarut campuran (misalnya, DMSO, etilena glikol) atau perawatan asam untuk meningkatkan konduktivitas PEDOT:PSS, namun pendekatan ini dapat mengorbankan stabilitas atau memerlukan bahan kimia yang keras. Pekerjaan ini mengeksplorasi perawatan pasca dengan alkohol polar—terutama metanol—untuk secara selektif menghapus PSS dan mengarah ulang rantai PEDOT, sehingga meningkatkan antarmuka Si/PEDOT:PSS tanpa mengorbankan stabilitas perangkat.

Metode

Wafer Si(100) tipe n double-side-polished (2,6–3,5 Ω cm, tebal 450 µm) dibersihkan secara berurutan dalam aseton, etanol, dan air DI (ultrasonik 20 menit masing-masing). Wafer kemudian dioksidasi dalam larutan piranha 80 °C (3:1 H₂SO₄/H₂O₂) selama 30 menit, dicuci, dan di-etched dalam HF 5 % selama 5 menit untuk mengekspos permukaan H-Si. Lapisan passivasi SiO₂ tipis dibentuk dengan merendam wafer dalam HNO₃ 10 % (5 menit). Dispersi PEDOT:PSS (Clevios PH1000) dicampur dengan 5 wt % DMSO dan 1 wt % Triton X-100, lalu dilapisi spin pada substrat SiO₂/Si (1500 rpm, 60 detik) dan dianalkan pada 140 °C selama 10 menit di bawah N₂. Aliquot 60 µL metanol (atau alkohol lain) kemudian ditetapkan pada film PEDOT:PSS yang kering dan dilapisi spin lagi (2000 rpm, 60 detik) sebelum analing akhir pada 120 °C selama 10 menit. Grid perak (200 nm) diavaporkan termal sebagai elektroda atas, dan aluminium (200 nm) ditetapkan pada sisi belakang di bawah vakum tinggi (~10⁻⁷ Pa). Perangkat memiliki area aktif 0,3 cm².

Performa perangkat (J-V, EQE) diukur di bawah iluminasi AM 1.5 (100 mW cm⁻²) dari lampu xenon, yang dikalibrasi dengan sel silikon referensi. Konduktivitas film PEDOT:PSS ditentukan dengan probe 4-titik (RST-9). Spektra XPS dikumpulkan pada Thermo ESCALAB 250 (Al Kα). Spektra Raman diambil dengan laser 532 nm. Spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan dengan workstation CHI660E (10⁻¹–10⁶ Hz). Transmitansi dan AFM digunakan untuk menilai properti optik dan permukaan.

Hasil dan Pembahasan

Performa Sel Surya Hibrid PEDOT:PSS/Si

Gambar 1 menunjukkan karakteristik J-V dan EQE dari sel yang dirawat dengan berbagai alkohol. Kontrol (hanya DMSO) menunjukkan V_OC = 0,552 V, J_SC = 27,09 mA cm⁻², FF = 63,6 %, menghasilkan PCE = 9,51 %. Perawatan IPA meningkatkan PCE menjadi 9,98 % (J_SC = 27,71 mA cm⁻², FF = 64,7 %). Perawatan etanol lebih meningkatkan PCE menjadi 10,69 % (V_OC = 0,556 V, J_SC = 28,16 mA cm⁻², FF = 68,3 %). Perawatan metanol menghasilkan PCE tertinggi sebesar 12,22 % (J_SC = 30,58 mA cm⁻², FF = 72,0 %)—peningkatan sebesar 28 % dibandingkan kontrol.

Konduktivitas dan Properti Optik

Pengukuran probe 4-titik mengungkapkan bahwa konduktivitas PEDOT:PSS meningkat dari 0,3 S cm⁻¹ (tanpa DMSO) menjadi 650 S cm⁻¹ dengan DMSO. Perawatan pasca dengan IPA, etanol, dan metanol lebih meningkatkan konduktivitas menjadi masing-masing 826, 908, dan 1105 S cm⁻¹. Resistensi permukaan turun dari 200 Ω cm² (kontrol) menjadi 105 Ω cm² (metanol). Transmitansi pada 550 nm tetap >95 % untuk semua film, yang menunjukkan bahwa perbaikan berasal dari perubahan elektronik, bukan optik.

Wawasan Struktural dari Raman dan XPS

Spektra Raman menunjukkan perpenggarahan sistematik dari puncak C_α–C_β PEDOT dari 1429 cm⁻¹ (kontrol) menjadi 1425,8 cm⁻¹ (IPA), 1422,7 cm⁻¹ (metanol), yang mencerminkan transisi dari konformasi benzoid ke kuinoid, yang meningkatkan mobilitas muatan. Analisis XPS S 2p menunjukkan pengurangan rasio PSS/PEDOT dari 2,48 (kontrol) menjadi 1,33 (metanol), mengonfirmasi penghapusan selektif PSS yang isolatif. AFM mengonfirmasi bahwa kekasaran permukaan tetap rendah (≤2,4 nm) di semua perawatan.

Spektroskopi Impedansi

EIS mengungkapkan resistensi rekombinasi (R_PN) yang lebih besar dan umur pembawa minor yang lebih panjang (τ ≈ 751 µs) untuk perangkat yang dirawat metanol dibandingkan 622 µs untuk kontrol, yang mengindikasikan rekombinasi antarmuka yang berkurang. Analisis Mott-Schottky menunjukkan perubahan yang kanibal pada potensial built-in, mengonfirmasi bahwa performa yang ditingkatkan berasal dari transportasi muatan yang ditingkatkan, bukan pergeseran penyejajaran band.

Kesimpulan

Studi ini menunjukkan bahwa perawatan pasca sederhana film PEDOT:PSS dengan metanol dapat secara signifikan meningkatkan konduktivitas (hingga 1105 S cm⁻¹) dan consequently efisiensi sel surya hibrid Si/PEDOT:PSS (12,22 %). Peningkatan ini disebabkan oleh penghapusan selektif PSS, reorganisasi konformasi rantai PEDOT, dan rekombinasi antarmuka yang berkurang. Karena proses ini hanya melibatkan pelapisan spin pelarut ringan dan analing suhu rendah, ia menawarkan rute yang dapat diskalakan dan hemat biaya untuk fotovoltaik hibrid berkinerja tinggi.