空穴传输层的平面混合n-Si / PEDOT: PSS太阳能电池能量转换效率高达14.5%

文摘

进行了系统调查的空穴传输层的影响治疗保利(材料间是的运动):保利(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)性能的平面混合n-Si / PEDOT: PSS太阳能电池。特里同x - 100和乙二醇(EG)选择提高电导率和表面形态的PEDOT: PSS的电影。发现退火温度有很大的影响在PEDOT: PSS材料特性和相应的设备性能。通过优化退火温度、电导率的PEDOT: PSS电影掺杂Triton可以增强x - 100,如超过3倍的订单。和相应的设备还显示记录功率转换效率高达14.5%的开路电压0.627 V, 32.6 mA / cm的短路电流²,70.7%的占空因数。

1。介绍

太阳能电池是一种有效的方式将太阳能转换成电力(1]。目前,mono和multicrystalline硅太阳能电池仍然占据90%以上的光伏市场由于其材料丰富和成熟的制造技术。然而,与常规能源相比,硅太阳能电池的成本仍然过高,因为这些设备都是基于pn结,通常由一个高温掺杂剂扩散的过程。高的热预算占总生产成本的30% ~硅(Si)太阳能电池(2]。为了降低制造成本,低温太阳能电池概念的基础上,有机/无机杂化垂直,特别是Si /聚(材料间是的运动):保利(styrenesulfonate) (Si / PEDOT: PSS),近年来吸引了巨大的研究兴趣(3- - - - - -6]。如果有很强的吸收能力在很宽的频谱范围和非常优秀的航空运输能力。和PEDOT: PSS是水溶性聚合物具有高导电性,在可见光谱范围传输窗口,一个优秀的化学和热稳定性7]。这种类型的Si / PEDOT: PSS混合太阳能电池结合上级如果在宽光谱范围内的吸收属性和水为基础的解决方案的优势过程PEDOT: PSS (4],它避免了昂贵的高温过程,承诺一个低成本光伏技术有可能实现功率转换效率在理论上(PCE)高达22% (5]。

自第一个水晶n-Si / PEDOT: PSS混合太阳能电池是在2010年报道的(4),巨大的努力,包括接口工程(6,8),治疗PEDOT: PSS (9,10],掺杂的硅衬底(11),设备表面钝化(12),纳米颗粒(13,14),和纳米表面(15- - - - - -17),一直致力于提高设备的性能。在这些策略,PEDOT的空穴传输层的治疗:PSS是一个非常简单而有效的方法。

图1显示了混合硅的能带结构/ PEDOT: PSS细胞概念,和它可以得出结论,该设备性能很大程度上取决于hole-conducting层PEDOT: PSS。价格等。18]做了一个对比混合Si / PEDOT: PSS垂直和all-inorganic Si /非盟肖特基结,发现不利的电子注入率从Si PEDOT: PSS相比要小三个数量级,从硅为盟,这可能导致高开路电压(V_OC)在相应的设备。除了界面属性,这个空穴传输整个PEDOT: PSS层之前被电极收集。因此,PEDOT的材料特性:PSS可能极大地影响了设备特征18]。

噻吩PEDOT的基本构建块。通过添加稳定组织,这种材料具有很高的化学、热稳定性。其导电率可以提高氧化钠peroxodisulfate噻吩支柱,因此,聚合物特性可以转换从一个发色团的金属的行为。最近的结果表明,液态的添加剂可以提供空间的重新定位PEDOT: PSS链(19)和导电率进一步提升的是很重要的。报导了几个方法,提高导电性PEDOT: PSS。金等人报道,添加高电介质溶剂的水溶液中PEDOT: PSS能增强的导电率导致的PEDOT: PSS电影不止一个数量级的削弱反离子和电荷之间的库仑吸引航空公司(20.]。山梨糖醇、乙二醇(EG)和其他醇类占惰性的另一组二次掺杂物,可以提高导电率(20.]。增强的具体原则没有被认可,并提出了几种机制。人们普遍认为,溶剂优化电影的形态,提供良好的渗透路径中PEDOT: PSS域(PEDOT-rich地区)和改变分子结构。夏等人提出,添加剂不仅法案仅仅作为增塑剂,也改变构象PEDOT: PSS电影(4]。所有这些研究主要集中在材料特性而不是对太阳能电池的影响。然而,相比许多报告材料的电导调制研究PEDOT: PSS,系统研究治疗PEDOT: PSS对相应性能的混合Si / PEDOT: PSS细胞仍然缺乏。

当前研究的目的是系统地调查PEDOT的空穴传输层治疗的影响:PSS的平面混合n-Si / PEDOT: PSS太阳能电池。在这部作品中,电导率和表面形态的PEDOT: PSS电影中得到改善通过添加海神和水PEDOT: PSS的解决方案。发现退火温度有很大的影响在PEDOT: PSS材料特性和相应的设备性能。通过优化退火温度、电导率的PEDOT: PSS可以增强电影掺杂特里同,如超过3倍的订单。和相应的设备还显示一个记录PCE的高达14.5%V_OC0.627 V,短路电流(J_SC)32.6 mA /厘米²和填充因子(FF,最大的比例获得权力的产物V_OC和J_SC)的70.7%。

2。实验

2.1。膜的形成和设备制造

n型硅/ PEDOT: PSS混合异质结太阳能电池组装在序列如下:n型硅(100)晶片厚度为300μm和0.05 - -0.1Ω·厘米的电阻率是切成1.5×1.5厘米²太阳能电池制造和超声清洗丙酮、异丙醇、离子水顺序为10分钟。本机氧化硅表面蚀刻了(大约4海里)样品浸入氢氟酸(HF 30年代5%)N,然后干燥₂以备后用。为了提高润湿性并形成一个统一的PEDOT: PSS在硅基片上薄膜,特里同x - 100是作为表面活性剂添加。贺利氏Clevios PEDOT: PSS (PH1000)与聚偏二氟乙烯膜(0.45过滤μ孔隙度)去除城市群。增加的导电性PEDOT: PSS电影,优化7卷%如被添加到PEDOT: PSS的解决方案和特里同x - 100(1%)被添加到它。HF-treated Si衬底上的解决方案是自旋涂速度为60年代2500 rpm。样本退火在190°C的热板15分钟去除溶剂形成一个统一的和导电p型有机薄膜。150纳米厚Ag)电影热蒸发,形成一个网格。最后,共晶ga在完全覆盖后的硅基质形成欧姆接触。

2.2。设备描述

的形态学测量PEDOT: PSS电影是通过原子力显微镜(AFM)来衡量的。紫外可见反射光谱与紫外可见分光光度计记录(950年优秀的λ)。光电参数测量通过使用一个吉时利2400源仪表模拟太阳光换成- 70 s1太阳能模拟器匹配是1.5 g标准强度的100 mW /厘米²。系统校准NREL-certified参考太阳能电池。所有的测量进行了太阳能电池在室温大气环境下没有任何封装。

3所示。结果与讨论

n-Si / PEDOT: PSS混合太阳能电池结构,ga在共晶/ n-Si / PEDOT: PSS / Ag)如图1(一)。之间有一个类型III混合接口Si和PEDOT: PSS如图1 (b)。设备操作是基于charge-selective接口,在PEDOT: PSS和n-Si作为空穴和电子传递层,分别。灯光从顶部的细胞被照亮,在PEDOT: PSS电影是在这样一个厚度超过90%透明可见的光谱范围。因此,大多数的光被n-Si吸收。由于高导电性的PEDOT: PSS层,如果界面附近的耗尽区n-Si / PEDOT: PSS就形成了。如图1 (b)的四个级别PEDOT: PSS远远高于n-Si的导带,所以照明下的电子阻止流入PEDOT: PSS层。另一方面,人类的PEDOT: PSS与价带的n-Si紧密结合,让洞n-Si流入PEDOT: PSS的电影。photogenerated运营商的耗尽区分开n-Si相反的方向,这表明电子可以运输的后侧n-Si和收集的阴极。同时,孔被运送到了阳极通过PEDOT: PSS层。的厚度PEDOT: PSS电影被AFM测量,发现大约55纳米。

硅表面有高度疏水性质在HF腐蚀后的解决方案。不容易形成一个统一的PEDOT: PSS电影这样一个表面上通过旋转涂布水PEDOT: PSS的解决方案。要解决这个问题,确保合适的润湿PEDOT: PSS在硅基质,特里同x - 100添加PEDOT: PSS的解决方案。数据2(一个)和2 (b)显示的照片PEDOT: PSS电影之前和之后的Triton x - 100。PEDOT: PSS电影没有Triton还很粗糙,不能覆盖所有的衬底。通过添加海神x - 100, PEDOT的附着力:PSS共轭聚合物在疏水性n-Si已得到改进,导致缺陷生成的一种有效抑制n-Si / PEDOT: PSS接口。

为了改善PEDOT的导电率:PSS电影,如选择添加水PEDOT: PSS的解决方案,因为它可以提高导电性由于相分离导电PEDOT亲水和疏水绝缘PSS,导致空穴迁移率的增加。图3(一个)显示J- - - - - -V特征的捏造n-Si / PEDOT: PSS细胞。所有的设备都是捏造的相同程序除了不同的退火温度。DMSO在水还添加了PEDOT: PSS解决方案作为参考和其设备参数总结在表1。在太阳能电池,PEDOT: PSS电影被DMSO-Triton掺杂(100:5v/v),EG-Triton (100: 7v/v)表示为DMSO细胞和细胞。的J- - - - - -V光伏电池的特性可以约肖克利方程所描述的 在哪里是饱和电流,光电流,串联电阻,分流电阻,理想因子,电子的电荷,波尔兹曼常数,T温度。通过使用(1)与我们提出明确的解析表达式的方法(21),实验数据可以重建,如图3(一个),这证实了提取参数的有效性。表1总结了设备性能参数。DMSO的设备除了展品J_SC25.6 mA /厘米²,一个V_OC0.598 V, 57.4%的FF,导致相应的PCE的8.8%,其性能与不同退火温度相对稳定。性能与报道的结果与类似的设备结构(19]。很明显,低J_SC的主要因素,限制了PCE。相比之下,DMSO细胞,如细胞有显著改善性能合适的退火温度如图3(一个)和3 (b)。当退火温度为160°C时,设备的性能很低的J_SC23.8 mA /厘米²,一个V_OC0.569 V,和50.9%的FF,导致6.9%的PCE。随着退火温度的增加,所有的J_SC,V_OC,FF改善。当退火温度为190°C,优化设备。J_SC增加到32.6 mA /厘米²,V_OC增加到0.627 V, FF增加到70.7%,整体PCE提高到14.5%。推断,例如可以帮助提高均匀性和导电性的PEDOT: PSS电影与适当的退火温度,从而提高设备性能。超过190°C,该设备性能降低退火温度更高。从图3 (b),它还可以看到,退火温度可以大大影响了理想因素和串联电阻。当退火温度为160°C,n是2.91,R_年代4.3Ω·厘米吗⁻²。当退火温度增加到190°C,n减少到1.65,R_年代0.5Ω·厘米吗⁻²,这意味着一个优化退火温度可以大大提高空穴传输层的导电率,从而提高设备性能。原因也许适当的温度可能蒸发的水PEDOT: PSS溶剂以及有积极的作用在PEDOT: PSS链改革高导电状态。电导率测量还表明,优化后的退火温度可以提高PEDOT的导电率:PSS电影与崔,如从0.2增加到超过200 S /厘米,这是一致的J- - - - - -V混合太阳能电池的特性。这一趋势的影响,退火温度对混合GaN / PEDOT: PSS太阳能电池也在一个先前的研究(22]。结果表明,退火可以影响的功函数和电导率PEDOT: PSS。XPS测量和J- - - - - -V特征分析表明的变化V_OC可以由于功函数变化的PEDOT: PSS和肖特基接触的势垒高度,而改变的吗J_SC可以归结于之间的竞争增强导电性和热降解的PEDOT: PSS。因此,有一个优化的退火温度,所以几乎所有的设备参数可以改善。对于我们的情况下,优化退火温度为190°C。

图4显示的AFM图像PEDOT: PSS的电影在不同的退火温度和退火相应的均方根(RMS)值变化与不同的退火温度。当退火温度为160°C,相对粗糙表面的PEDOT: PSS电影得到均方根(RMS)值为2.63 nm,如图4(一)。为190°C的优化退火温度,获得一个相对光滑的表面均方根值为1.56 nm,如图4 (b)。退火温度可以大大影响粗糙度的PEDOT: PSS的电影。RMS值的变化与不同的退火温度,如图4 (c)匹配设备的性能变化,如图3 (b)。统一hole-transparent层会抑制结上的重组,促进提高承运人的空穴电流收集能力。这可能是更高的设备性能的原因之一在优化退火温度为190°C。

我们也研究退火温度如何影响n-Si / PEDOT的光学性质:PSS结构通过测量反射光谱。图5显示的反射光谱的变化n-Si / PEDOT: PSS结构与退火温度从160°C到190°C。抛光的反射光谱光n-Si也显示在图5对于一个参考。平面抛光裸n-Si展览30%以上的反射波长范围从400纳米到800纳米,而所有的样品n-Si / PEDOT: PSS结构降低反射率。这意味着PEDOT: PSS电影有助于提高整体的光吸收能力。比较样品和n-Si / PEDOT: PSS结构在不同温度下退火,可以发现,190°C的样品退火温度显示了一个相对较大的反射率比样品退火温度相对较低,如160°C的波长范围从500纳米到800纳米。这意味着没有吸收改进设备190°C的退火温度。提高设备性能优化退火温度的190°C应该从改善载体收集结果的能力,而不是吸收改进。设备性能可以进一步提高加强抗反射膜的光学吸收能力或变形Si表面。

4所示。结论

总之,掺杂PEDOT: PSS如和特里同是一种有效的方法来改善PEDOT:电导率的PSS电影和在同一时间有很大的影响的退火温度对最后一部电影的属性。适当的退火温度可以提高电影形态,提高薄膜导电率,减少设备串联电阻。与不同退火温度的设备相比,平面混合Si / PEDOT: PSS太阳能电池在190°C显示退火优化性能和PCE达到高达14.5%J_SC32.6 mA /厘米²,一个V_OC0.627 V, 70.7%的FF。预计进一步改善提高光吸收能力与抗反射膜或变形Si表面。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢中国自然科学基金(61604119),年轻人才基金的大学陕西科学技术协会,中国(20150103)、中央大学基础研究基金(批准号。JB151406, JB161101,和JB161102),和类通用金融从中国博士后科学基金会的资助(批准号2016 m602771)。

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