Sel Surya PEDOT:PSS/n-Si Tinggi Performa dengan Permukaan Bertekstur dan Elektroda Nanowire Perak
Abstrak
Sel surya heterojuntung hybrid (HHSC) menarik karena arsitektur sederhana dan pembuatan dengan biaya rendah. Dalam studi ini, kami menapisi secara langsung polimer konduktif transparan tinggi, poly(3,4-etilendioksitiophen):polystyrene sulfonat (PEDOT:PSS), pada silikon kristal tipe-n (n-Si) yang telah di-micro-tektur menggunakan etching kimia konvensional. Dengan mengoptimalkan kondisi coating, kami mencapai efisiensi konversi daya (PCE) sebesar 8,54% dengan proses berbasis larutan yang sederhana. Efisiensi tinggi ini timbul dari kontak konformal antara film PEDOT:PSS dan silikon yang bertekstur. Peningkatan lebih lanjut diperoleh dengan mengganti elektroda grid perak konvensional dengan nanowire perak (AgNW), yang menawarkan transmisi optik dan konduktivitas listrik yang superior. Modifikasi ini meningkatkan PCE menjadi 11,07%, peningkatan 29,6% dibandingkan elektroda tradisional. Hasil kami menunjukkan bahwa menggabungkan PEDOT:PSS dengan AgNW dan silikon bertekstur menghasilkan jalan yang menjanjikan menuju sel surya dengan efisiensi tinggi dan biaya rendah.
Latar Belakang
Silikon kristal mendominasi pasar fotovoltaik global, menahan sekitar 90% penjualan karena keseimbangan performa dan biaya. Sel surya heterojuntung hybrid yang memadukan n-silikon kristal dengan PEDOT:PSS telah muncul sebagai alternatif yang menarik, berkat pembuatan bebas dopan, bebas vakum, suhu rendah, dan berbasis larutan. Rekor saat ini untuk sel surya HHSC PEDOT:PSS/n-Si adalah 16,2% PCE, dan kesenjangan efisiensi dengan sel silikon konvensional semakin mengecil.
Dalam sel surya PEDOT:PSS/n-Si, silikon kristal berfungsi sebagai penyerap mobilitas tinggi, sementara lapisan PEDOT:PSS berfungsi sebagai jendela transportasi lubang transparan dan konduktif. Namun, efisiensi keseluruhan sering terbatas oleh kualitas antarmuka PEDOT:PSS/n-Si. Rekayasa antarmuka—melalui tekstur permukaan, lapisan passivasi, atau lapangan permukaan belakang—telah terbukti efektif dalam mengurangi rekombinasi dan meningkatkan pengumpulan muatan.
Sementara banyak strategi difokuskan pada substrat datar, kualitas kontak antara PEDOT:PSS dan silikon bertekstur belum banyak dieksplorasi. Tekstur, biasanya dicapai dengan etsant alkali, menciptakan piramida mikro acak yang meningkatkan penangkapkan cahaya tetapi juga menantang untuk penapisan film yang seragam. Selain itu, elektroda perak tradisional dapat menderita transparansi optik yang terbatas pada permukaan bertekstur. Nanowire perak menawarkan solusi, menyediakan transmisi dan konduktivitas tinggi sambil kompatibel dengan drop-casting pada polimer bertekstur.
Metode
Persiapan Substrat Si Bertekstur untuk HHSC
Kami menggunakan wafer n-Si(100) Czochralski (tebal 210 µm, 1–3 Ω·cm) sebagai substrat. Setelah pembersihan SC1/SC2 standar, wafer dipolesir dalam larutan KOH konsentrasi tinggi pada 75 °C selama 2–3 menit untuk menghilangkan lapisan yang rusak. Permukaan kemudian dietch dalam mandi KOH 2 wt.%/isopropanol 2 wt.% pada 75 °C selama 15–20 menit untuk membentuk struktur piramida mikro acak double-sided dengan rata-rata tinggi sekitar 1 µm. Pembersihan RCA akhir dan celupan HF singkat (0,5–1 menit) menghasilkan permukaan silikon bebas oksida dan hidrofobik yang siap untuk deponasi PEDOT:PSS.
Pembuatan Sel Surya Hybrid Si/PEDOT:PSS
Gambar 1 mengilustrasikan urutan pembuatan. Kontak belakang aluminium tebal 200 nm ditembakkan pada sisi belakang wafer. Larutan PEDOT:PSS (Clevios PH1000) didoping dengan 5 wt.% DMSO dan 0,1 wt.% surfactant fluoride (Capstone FS31) untuk meningkatkan konduktivitas dan basah. Larutan dicampur di berbagai kecepatan (1.000–8.000 rpm) dan dianil pada 130 °C selama 15 menit. Untuk elektroda konvensional, grid perak tebal 200 nm ditembakkan termal melalui shadow mask. Untuk varian AgNW, dispersi 5 mg/mL nanowire perak dengan diameter 50 nm, panjang 100–200 µm (XFNANO) dalam isopropanol dicetak drop pada wafer dan dikering pada 150 °C selama 5 menit.
Skema persiapan sel surya n-Si/PEDOT:PSS dengan elektroda grid perak (a–f) atau elektroda nanowire perak (a–e, g).
Karakterisasi Perangkat
Reflektansi diukur dengan bola integrasi; gambar SEM ditangkap dengan Hitachi S4800. Karakteristik arus-tegangan (J–V) dicatat di bawah iluminasi AM 1.5 (100 mW/cm²) menggunakan simulator surya Oriel (94063A) dan source meter Keithley 2400. Spektrum absorpsi diperoleh dengan spektrofotometer UV-8000, dan transmisi film PEDOT:PSS diukur dengan spektrofotometer QEX10. Resistensi lapis ditentukan oleh penguji empat titik (SDY-4).
Hasil dan Pembahasan
Peningkatan properti optik dan listrik film PEDOT:PSS melalui aditif adalah strategi yang terbukti. Penambahan 5 wt.% DMSO ke dalam larutan PEDOT:PSS meningkatkan konduktivitasnya satu orde magnitudo, sementara 0,1 wt.% FS31 mengurangi sudut kontak pada silikon hidrofobik dari 104,3° menjadi nilai yang jauh lebih rendah, memungkinkan penapisan yang lebih seragam.
Sudut kontak antara wafer dan larutan PEDOT:PSS tanpa (a) dan dengan (b) FS31.
Gambar 3 menunjukkan bahwa film PEDOT:PSS mentransmisikan sekitar 85% cahaya terlihat ketika dicap pada 5.000 rpm. Dengan DMSO dan FS31, transmisi meningkat sedikit di seluruh 600–1.000 nm, dan absorpsi film dalam rentang 400–600 nm meningkat, menjadikannya jendela optik yang unggul.
Merah: absorbansi PEDOT:PSS dengan aditif (400–1.000 nm); biru: transmisi PEDOT:PSS dengan/atau tanpa aditif dan referensi kaca.
Tekstur piramida mikro meningkatkan penangkapkan cahaya, mengurangi reflektansi dasar menjadi sekitar 10–20%. Penambahan lapisan PEDOT:PSS mengurangi reflektansi sekitar 5% di seluruh spektrum, tetapi nilai pasti tergantung pada kecepatan spin-coating. Kecepatan spin yang lebih tinggi meningkatkan tegangan permukaan, memungkinkan polimer menembus lembah piramida dan meningkatkan kontak. Gambar 4 dan 5 mengilustrasikan bahwa pada 4.000–5.000 rpm film mengikuti tekstur dengan dekat, menghilangkan rongga dan memaksimalkan area junc. Namun, pada 8.000 rpm film menjadi terlalu tipis, meninggalkan celah yang mengurangi tegangan terbuka.
Gambar SEM top-view silikon bertekstur dengan film PEDOT:PSS pada kecepatan spin 1.000–5.000 rpm (a–e). (f) menunjukkan permukaan tanpa coating.
Tampilan potongan silang PEDOT:PSS pada silikon bertekstur pada 4.000 (a) dan 5.000 rpm (b).
Pengukuran reflektansi (Gambar 6) mengonfirmasi bahwa lapisan PEDOT:PSS meningkatkan antirefleksi, terutama untuk panjang gelombang 600–1.000 nm. Kecepatan spin optimal menyeimbangkan ketebalan film (untuk meminimalkan absorpsi parasit) dan cakupan junc (untuk memaksimalkan pengumpulan muatan). Performa perangkat terbaik—Jsc = 26,88 mA/cm², FF = 62,1%, Voc = 0,56 V, PCE = 11,07%—dicapai dengan coating 4.000 rpm dan elektroda nanowire perak.
Kurva reflektansi untuk silikon bertekstur yang dilapisi PEDOT:PSS pada berbagai kecepatan spin dan untuk substrat tanpa coating.
Kurva J–V (Gambar 7) mengilustrasikan tren yang jelas: seiring bertambahnya kecepatan spin dari 1.000 hingga 5.000 rpm, Jsc naik karena area junc yang ditingkatkan dan rekombinasi yang berkurang. Di atas 5.000 rpm, performa menurun karena film menjadi terlalu tipis.
Kurva J–V untuk sel dengan berbagai kecepatan spin PEDOT:PSS.
Elektroda nanowire perak lebih lanjut meningkatkan metrik perangkat dengan menurunkan resistensi seri dari 0,84 menjadi 0,38 Ω·cm², meningkatkan FF dari 62,1% menjadi 72,2%, dan meningkatkan Voc dari 0,51 menjadi 0,56 V. AgNW juga memberikan pencitraan cahaya plasmonik, meningkatkan absorpsi dalam rentang 400–700 nm dan berkontribusi pada kepadatan arus pendek yang lebih tinggi.
Kurva J–V untuk sel PEDOT:PSS/n-Si dengan elektroda nanowire perak.
a) Tampilan potongan silang sel dengan AgNW; b) close-up area kontak.
Kesimpulan
Dengan menambahkan DMSO dan FS31 ke PEDOT:PSS, kami mencapai film yang sangat konduktif dengan sudut kontak rendah yang mengikuti silikon bertekstur mikro dengan baik. Optimalkan kecepatan spin-coating pada 4.000 rpm memaksimalkan area junc sambil mempertahankan ketebalan film yang tepat, menghasilkan PCE sebesar 11,07% dengan elektroda nanowire perak. Pendekatan ini menawarkan jalur yang sederhana dan scalable untuk sel surya hybrid dengan efisiensi tinggi dan biaya rendah.
