Performa Tinggi Sel Surya PEDOT:PSS/n-Si Berdasarkan Permukaan Bertekstur dengan Elektroda AgNWs

Hasil dan Diskusi

Meningkatkan sifat optik dan listrik dengan menerapkan aditif ke dalam film PEDOT:PSS akan meningkatkan kinerja sel surya. Metode “doping sekunder” digunakan untuk meningkatkan konduktivitas lapisan organik dengan menambahkan dimetilsulfoksida (DMSO) ke senyawa PEDOT:PSS [23]. Konduktivitas listrik larutan PEDOT:PSS dapat sangat ditingkatkan dengan menambahkan DMSO ekstra sebesar 5 % berat [10, 23, 24]. Resistansi lembaran lapisan spin-coated PEDOT:PSS pada kaca adalah 136 Ω/□ pada 2000 rpm. Namun, kami menemukan sudut kontak antara permukaan silikon hidrofobik dan larutan PEDOT:PSS adalah 104,3° (Gbr. 2a), yang sangat menghambat kualitas spin-coating. Metode yang berguna adalah mencampurkan surfaktan fluorida ke dalam larutan PEDOT:PSS untuk mengurangi sudut kontak [25]. Gambar 2 menunjukkan perbedaan sudut kontak antara wafer dan larutan PEDOT:PSS (dengan dan tanpa FS31 sebesar 0,1%berat). Akibatnya, sudut kontak larutan PEDOT:PSS pada permukaan silikon hidrofobik ditemukan sangat menurun. Transmitansi optik film PEDOT:PSS dengan dan tanpa aditif yang dilapisi pada 5000 rpm pada kaca ditunjukkan pada Gambar 3. Film PEDOT:PSS menunjukkan transmisi optik kontras 85% dengan kaca referensi. Dengan penerapan DMSO dan FS31, transmitansi PEDOT:PSS dapat ditingkatkan sedikit pada panjang gelombang dari 600 menjadi 1000 nm. Spektrum menunjukkan karakteristik optik yang lebih tinggi antara 400 dan 1000 nm, yang menjadikannya optimal sebagai jendela optik dalam sel surya PEDOT:PSS/n-Si. Selain itu, keseragaman ketebalan film telah ditingkatkan dalam proses spin-coating. Secara umum, aditif meningkatkan sifat optik PEDOT:PSS dan kinerja kontak antara permukaan silikon bertekstur dan lapisan PEDOT:PSS.

Sudut kontak antara wafer dan solusi PEDOT:PSS (a ) tanpa FS31 dan (b ) dengan FS31

Garis merah adalah spektrum absorbansi PEDOT:PSS dengan aditif (DMSO dan FS31) pada panjang gelombang 400 hingga 1000 nm. Garis biru adalah spektrum transmitansi film PEDOT:PSS dengan dan tanpa aditif dan kaca referensi pada panjang gelombang masing-masing 400 hingga 1000 nm

Proses texturing industri tradisional diadopsi untuk membentuk struktur perangkap cahaya. Karena laju reaksi anisotropik wafer silikon dalam larutan alkali panas, permukaan depan dan belakang silikon diukir menjadi struktur mikro-piramidal dengan ukuran acak. Gambar SEM permukaan piramidal yang sesuai diilustrasikan pada Gambar. 4f. Struktur kompleks pada silikon menetapkan penghalang untuk mencapai proses fabrikasi dan film PEDOT:PSS yang seragam. Untuk mengatasi masalah keseragaman ketebalan pada permukaan silikon bertekstur, spin-coating memiliki keunggulan dibandingkan metode pelapisan lainnya. Gambar 4a–e menggambarkan tampilan atas film PEDOT:PSS pada struktur piramida yang dibuat dengan kecepatan spin-coating masing-masing dari 1000 hingga 5000 rpm dan 8000 rpm. Gambar 5 menunjukkan tampilan penampang PEDOT:PSS berlapis substrat di a 4000 rpm dan b 5000 rpm. Pada kecepatan rendah, tegangan permukaan larutan PEDOT:PSS membuat sulit untuk menembus ke lembah yang dikelilingi oleh piramida. Peningkatan laju spin-coating dapat meningkatkan laju penetrasi dan daya rekat larutan PEDOT:PSS pada permukaan mikro-piramidal [26]. Area cakupan diperluas dengan tingkat spin-coating; rongga menjadi sangat kecil sehingga PEDOT:PSS hampir bisa menyesuaikan kontak dengan substrat bertekstur. Akibatnya, rongga udara di bawah film PEDOT:PSS seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 secara bertahap menjadi lebih kecil [27]. Selain itu, area kontak dan kualitas kontak antara struktur bertekstur dan film PEDOT:PSS secara bertahap ditingkatkan seiring dengan peningkatan laju pelapisan putaran. Saat laju pelapisan meningkat, ketebalan film PEDOT:PSS berkurang, piramida secara bertahap muncul dari film PEDOT:PSS, dan kerataan substrat juga berkurang.

Gambar tampilan atas SEM dari Si bertekstur dengan lapisan PEDOT:PSS. a –e kecepatan pelapisan berkisar dari 1000 hingga 5000 rpm, dan f tidak memiliki lapisan PEDOT:PSS. Bilah skala di a –f adalah sama

Tampilan penampang film PEDOT:PSS berlapis Si bertekstur (a ) dengan 4000 rpm dan (b ) dengan 5000 rpm

Namun, kondisi pelapisan sangat mempengaruhi morfologi perangkat. Untuk mengkarakterisasi sifat optik substrat, spektrum refleksi direkam untuk sampel dengan berbagai kondisi pelapisan PEDOT:PSS. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, pemantulan substrat Si bertekstur asli adalah ~  10 hingga 20% karena perangkap cahaya efektif dan hamburan cahaya yang disebabkan oleh peningkatan panjang jalur optik dari cahaya yang datang antara struktur mikro-piramidal pada permukaan silikon. Hasil eksperimen dengan jelas menunjukkan bahwa penumpukan film PEDOT:PSS pada struktur mikro-piramidal jelas meningkatkan antirefleksi perangkat sebesar ~ 5%. Dalam rentang panjang gelombang 600 hingga 1000 nm, pantulan tampaknya bergantung pada laju pelapisan. Namun, reflektansi tampaknya tidak teratur pada pita gelombang pendek. Khusus untuk sampel pada 1000 rpm, pantulan tampaknya lebih tinggi daripada di bawah kecepatan lainnya. Mempertimbangkan hubungan antara ketebalan film PEDOT:PSS dan reflektansi cahayanya, Gambar 3 menunjukkan spektrum serapan dan spektrum transmisi film PEDOT:PSS yang dilapisi pada kaca pada 5000 rpm pada panjang gelombang 400 hingga 1000 nm. Penyerapan PEDOT:PSS pada panjang gelombang 600 hingga 1000 nm relatif lebih besar daripada pada pita gelombang pendek, dan reflektansi sebanding dengan laju pelapisan. Namun, koefisien penyerapan pada panjang gelombang dari 400 hingga 600 nm relatif lebih rendah. Selain itu, kerataan permukaan menempati faktor utama yang mempengaruhi reflektifitas. Ketika film relatif tebal, piramida hampir terendam dan permukaan rata, yang menentukan reflektansi film PEDOT:PSS pada permukaan silikon. Berdasarkan pembahasan di atas, kami secara tentatif mengemukakan bahwa reflektansi lapisan PEDOT:PSS pada permukaan bertekstur dipengaruhi oleh penyerapan lapisan dielektrik dan kerataan permukaan.

Kurva reflektansi dari Si bertekstur yang dilapisi dengan lapisan PEDOT:PSS pada kecepatan pelapisan yang berbeda dari 1000 hingga 5000 rpm, 8000 rpm, dan tanpa PEDOT:PSS

Peran sifat kontak dan ketebalan film PEDOT:PSS untuk kinerja sel surya juga telah dieksplorasi. Densitas arus cahaya–tegangan (J–V ) kurva untuk HHSC dengan tingkat pelapisan PEDOT:PSS yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 7, dan karakteristik listrik homolog diringkas dalam Tabel. 1. Perangkat dengan elektroda kisi perak yang diuapkan memiliki efisiensi konversi puncak sebesar 8,54%. Luas total perangkat dan elektroda adalah 20 × 20 mm dan 40 mm ² , masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel. 1, J _sc , FF, dan PCE sel hibrida PEDOT:PSS/n-Si berkorelasi dengan kondisi pelapisan. Saat laju pelapisan meningkat, area kontak, kualitas kontak, dan ketebalan film dioptimalkan; J _sc sel surya secara bertahap meningkat dari 21,68 menjadi 26,88 mA/cm ² . Pada kecepatan rendah, film tipis PEDOT:PSS tidak dapat mengendap di dasar lembah di antara piramida. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, area sambungan kontak antara film PEDOT:PSS dan bagian atas piramida sangat kecil sehingga film PEDOT:PSS tidak dapat mengumpulkan muatan yang cukup, menghasilkan heterojungsi yang buruk [26, 27]. Selain itu, karena celah pita lebar PEDOT:PSS, film PEDOT:PSS dapat mengurangi kecepatan rekombinasi antarmuka dan memblokir elektron dari rekombinasi di permukaan depan perangkat.

J-V kurva HHSC dengan kecepatan pelapisan PEDOT:PSS yang berbeda dari 1000 hingga 5000 rpm dan 8000 rpm pada AM1.5

Dalam aplikasi praktis pada substrat bertekstur, ketebalan film PEDOT:PSS tidak dapat disesuaikan tanpa mempertimbangkan sifat kontak. Proses spin-coating secara bersamaan membatasi ketebalan film dan kualitas kontak [7]. Diketahui bahwa laju pelapisan yang relatif tinggi sangat diperlukan untuk peningkatan efisiensi. Area heterojunction yang ditingkatkan berkontribusi pada pemisahan lubang dan elektron dan peningkatan J _sc . Kontak antarmuka berkualitas tinggi menyebabkan penurunan kecepatan rekombinasi antarmuka dan peningkatan arus yang signifikan [11, 18]. Fakta seperti itu dapat ditemukan dari Gambar. 4 dan 5, bahwa tidak ada material organik konduktif masif yang menumpuk di atas lembah pada 5000 rpm. Untuk pengurangan ketebalan film PEDOT:PSS, permukaan silikon bertekstur menangkap lebih banyak cahaya [26]. Penurunan hilangnya penyerapan parasit dari lapisan PEDOT:PSS yang lebih tipis mengarah pada peningkatan penyerapan foton pada permukaan silikon, meningkatkan arus foto dan efisiensi sel. Namun, ketika laju spin-coating mencapai 8000 rpm, tegangan rangkaian terbuka berkurang menjadi 0,49 V karena film PEDOT:PSS mungkin terlalu tipis untuk menutupi seluruh permukaan Si dan heterojunction mungkin memendek. Sebuah film tipis akan menyebabkan hubungan langsung antara elektroda logam dan puncak piramida. Sementara itu, karena penurunan ketebalan film, penurunan panjang sambungan P-N berpengaruh pada kinerja perangkat [23]. Dan, ketidakseragaman ketebalan film pada 8000 rpm mungkin sangat penting dalam memengaruhi efisiensi perangkat. Oleh karena itu, kinerja tertinggi sel surya PEDOT:PSS/n-Si terjadi pada 5000 rpm.

Sampel di atas diproduksi dengan elektroda grid perak. Untuk menggunakan elektroda kawat nano perak yang sangat transparan dan konduktif, film AgNWs serupa pada substrat planer dilaporkan dalam HHSCs [28, 29]. Kami juga telah membuat perangkat menggunakan elektroda AgNWs dengan luas total 20 × 20 mm. Saat kecepatan pelapisan PEDOT:PSS mencapai 4000 rpm, sel surya dengan elektroda kawat nano perak dapat mencapai PCE tertinggi 11,07% menggunakan metode drop-casting. Pengukuran ditunjukkan pada Gambar. 8. Gambar SEM dari elektroda kawat nano perak pada substrat bertekstur ditampilkan pada Gambar 9. Kawat nano perak dapat bersentuhan dengan piramida. Dan, area kontak elektroda antara AgNWs dan PEDOT:PSS lebih besar dari pada perangkat dengan elektroda perak. Resistansi seri sel surya PEDOT:PSS/n-Si menurun dari 0,84 menjadi 0,38 Ω/cm ² terutama karena elektroda film AgNWs memiliki resistansi persegi rendah ~ 10 Ω/□. Faktor pengisian dan V _ok dapat sangat meningkat dari 62,13 menjadi 72,15% dan 0,51 menjadi 0,56 V, masing-masing, karena penurunan resistansi seri perangkat. Selain itu, efek plasmonik AgNWs memainkan peran penting pada peningkatan pemanenan cahaya [30,31,32,33]. Malika Chalh menunjukkan bahwa AgNWs (lebih dari 10 m) dapat menyebabkan eksitasi mode plasmon permukaan, yang dapat meningkatkan penyerapan untuk rentang panjang gelombang antara 400 dan 700 nm [34]. Permukaan substrat Si ditutupi dengan banyak kawat nano perak, yang membentuk kisi-kisi untuk mengumpulkan muatan. Peningkatan penyerapan di dalam lapisan aktif dapat ditingkatkan, melalui sambungan antara setiap kawat. Namun, AgNWs akan menghasilkan kerugian penyerapan parasit yang kuat pada logam dan lapisan aktif. Di sini, lapisan aktif yang lebih tebal dapat mengurangi penyerapan di lapisan AgNWs sekaligus mendorong lebih banyak penyerapan di lapisan aktif [35]. Oleh karena itu, perangkat telah menunjukkan peningkatan yang signifikan pada penyerapan cahaya broadband menggunakan AgNWs plasmonik melalui hamburan efisien cahaya dan kopling plasmonik [36]. Dengan substitusi elektroda AgNWs, kerapatan arus hubung singkat perangkat meningkat dari 26,55 menjadi 27,08 mA/cm ² . Ternyata elektroda kawat nano perak mampu mencapai PCE yang lebih tinggi di sel surya PEDOT:PSS/n-Si.

J –V kurva sel surya hibrida PEDOT:PSS/n-Si dengan elektroda kawat nano perak

a Tampilan penampang sel surya PEDOT:PSS/n-Si dengan elektroda AgNWs. b Gambar detail persegi panjang merah