Célula solar híbrida de silício orgânico nanoestruturado de alto desempenho com estrutura de superfície modificada

Resumo

Nanofios de silício (SiNWs) com excelentes propriedades de captura de luz têm sido amplamente aplicados em dispositivos fotovoltaicos, que fornecem oportunidades para aumentar os fótons coletados pelo Si. No entanto, os portadores fotoexcitados são facilmente capturados e recombinados por defeitos de superfície de alta densidade devido à maior área de superfície que se prolonga até a profundidade do nanofio. Neste trabalho, a fim de reduzir os defeitos superficiais e a taxa de recombinação de SiNWs, um processo de solução simples é utilizado para modificar a estrutura da superfície. A aplicação do tratamento com hidróxido de tetrametilamônio (TMAH) leva a uma superfície lisa e cônica de Si NW, o que melhora a tensão de circuito aberto ( V _oc ) e fator de preenchimento (FF), obviamente. Assim, um PCE campeão de 14,08% é alcançado para o dispositivo híbrido Si / PEDOT:PSS nanoestruturado por tratamento TMAH de 60 s. Também indica que o tratamento com TMAH promete um método simples e eficaz para melhorar os dispositivos baseados em Si NW.

Histórico

Para os dispositivos fotovoltaicos, a eficiência de conversão de energia está diretamente associada à propriedade de absorção de fotos, o que significa que quanto mais fotoincidências, maior quantidade de elétrons podem ser gerados. Assim, as propriedades de captura de luz da energia fotovoltaica foram investigadas em muitos trabalhos [1,2,3,4]. Nanoestruturas de silício, como nanofios de silício, nanocone ou matrizes de pirâmide, têm sido amplamente aplicadas devido às excelentes propriedades anti-reflexo, que fornecem oportunidades para impulsionar as fotos coletadas por Si [5,6,7,8,9]. Essas nanoestruturas podem ser fabricadas por uma variedade de métodos, incluindo corrosão assistida por metal, crescimento de vapor-líquido-sólido, corrosão iônica reativa e fabricação a laser [10, 11]. No entanto, apesar do forte aprimoramento óptico, um problema é a alta recombinação de superfície, que ocorre com a alta densidade de defeitos de superfície que estão associados à nanoestrutura. O aumento da recombinação da portadora fotográfica diminui a eficiência da célula, reduzindo o fator de preenchimento do dispositivo (FF) e a tensão de circuito aberto ( V _oc ) [12, 13]. Isso representa a importância de modificar as nanoestruturas de superfície para obter uma célula solar baseada em nanoestrutura de alto desempenho.

Aqui, nós fabricamos células solares híbridas de poli (3,4-etilenodioxitiofeno):poli (estirenossulfonato) (PEDOT:PSS) / Si em pastilhas de silício nanoestruturadas, com várias morfologias de superfície e áreas. O polímero condutor, PEDOT:PSS, provoca a camada de depleção formada no Si, devido à sua adequada função de trabalho [14, 15]. Quando os fótons incidentes são coletados pelo substrato de Si, os pares elétron-buraco são gerados. Os pares elétron-buraco foto-gerados são dissociados na região de depleção. As nanoestruturas em células híbridas PEDOT:PSS / Si são mais representativas porque a camada de polímero PEDOT:PSS é revestida no substrato texturizado [16, 17]. A área da superfície e a recombinação da superfície estão diretamente associadas à quantidade de orifícios que são transferidos para os eletrodos. Além disso, a implementação de nanoestruturas em células híbridas PEDOT:PSS / Si é mais desafiadora porque a camada uniforme PEDOT:PSS raramente pode ser revestida de forma conformada no substrato texturizado devido às suas características poliméricas [18, 19]. PEDOT:PSS e as nanoestruturas de Si são necessárias para permitir que os polímeros se infiltrem e formem filmes finos na superfície.

Neste trabalho, exploramos o tratamento TMAH para modificar a superfície do Si NW, que é fabricado pelo método de corrosão assistida por metal. Ao controlar o tempo de corrosão, desenvolvemos uma nova nanoestrutura de superfície, que atinge um equilíbrio entre propriedade de captura de luz e defeitos de superfície. Depois de reduzir os defeitos de superfície polindo a superfície de silício e diminuindo o nanofio, o valor de refletância ainda é baixo. Além disso, a vida útil efetiva da portadora minoritária foi aprimorada muito. Um PEDOT:dispositivo híbrido PSS / Si usando nanoestrutura de Si modificada atinge uma eficiência de convenção de energia (PCE) de 14,08% com uma corrente de curto-circuito ( J _sc ) de 31,53 mA / cm ² , FF de 0,71 e V _oc de 0,632 V.

Métodos

Fabricação de nanoestrutura de Si

O processo de fabricação do Si NW é seguido por um método de corrosão assistida por metal em duas etapas [20]. Os substratos de Si (0,05 ~ 0,1 Ω · cm, 300 μm de espessura) foram cortados em 1,5 × 1,5 cm ² . Uma solução mista de AgNO ₃ (1 mM) e HF (0,5 vol%) foi usado para depositar nanopartículas de prata. O tempo de deposição foi fixado em 60 s. Em seguida, as amostras foram transferidas para uma solução de corrosão imediatamente. A solução de corrosão contém HF (12,5 vol%) e H ₂ O ₂ (3% vol). Os Si NWs alinhados verticalmente foram formados por corrosão de silício na área sem cobertura de nanopartículas de prata. Para remover as nanopartículas de prata, as nanoestruturas de silício foram imersas em HNO concentrado ₃ por 5 min, seguido por uma lavagem com água DI por 3 min. Antes do tratamento com TMAH, precisamos remover o SiO ₂ fino camada formada durante HNO ₃ tratamento. As amostras foram então gravadas várias vezes em solução TMAH (1 vol%) à temperatura ambiente para diminuir a área de superfície das nanoestruturas de silício.

PEDOT:Célula solar de heterojunção PSS / Si

Depois que os substratos nanoestruturados de Si foram preparados, o filme PEDOT:PSS foi revestido por rotação sobre o substrato de Si. O PEDOT:PSS contém 1% em peso de surfactante Trion X-100 e 5% em peso de dimetilsulfóxido (DMSO) para melhorar a condutividade [21]. O substrato revestido com filme PEDOT:PSS foi recozido a 125 ° C por 15 min para remover o solvente água. Finalmente, prata e alumínio foram depositados na parte frontal e traseira do dispositivo como eletrodos. A área ativa do dispositivo é definida por uma máscara de sombreamento de 0,8 cm ² .

Caracterização do dispositivo

As imagens de alta resolução das nanoestruturas foram obtidas por imagens de microscópio eletrônico de varredura (MEV) (Carl Zeiss Suppra, 55). O tempo de vida da portadora minoritária foi mapeado com mapa MDP de fotocondutividade detectada por micro-ondas (Freiberg Instrument GmbH). Os espectros de reflexão foram medidos por uma esfera de integração (Perkin-Elmer Lambda 700). As características da célula solar foram testadas por um simulador solar (Newport, 91160) equipado com uma lâmpada de xenônio (300 W) e um filtro AM 1.5. A intensidade da irradiação foi de 100 mW / cm ² , que foi calibrado por um dispositivo de célula solar Si padrão (Newport, 91150). A eficiência quântica externa (EQE) foi adquirida a partir de uma configuração com monocromador Newport 74125 e medidor de potência 1918 com detector de Si 918D.

Resultados e discussão

Morfologia e caracterização óptica do substrato SiNW por tratamento com TMAH

As imagens SEM da nanoestrutura fabricada de Si de alta densidade são mostradas na Fig. 1a. Os Si NWs são uniformemente distribuídos no wafer de Si com um diâmetro médio de fio de 30 a 50 nm. Os nanofios são fabricados a partir de corrosão química assistida por metal em duas etapas [20]. Primeira etapa, as nanopartículas de Ag são automontadas por meio de redução e oxidação entre Ag e Si e, na segunda etapa, são gravadas verticalmente em uma solução de corrosão mista consistindo de HF e H ₂ O ₂ . Podemos ver que a densidade do Si NW é muito alta, junto com uma grande área de superfície. A Figura 1b-d mostra as imagens SEM de Si NW submetidas a diferentes tempos de corrosão TMAH anisotrópica de 50 a 70 s. A altura é de cerca de 120, 100 e 95 nm após o tempo de corrosão de 50, 60 e 70 s, respectivamente. O processamento de corrosão muda claramente a morfologia da nanoestrutura [22, 23]. Uma vez que a concentração de TMAH e a temperatura de corrosão são constantes, com o aumento do tempo de corrosão, mais SiNWs porosos são gravados. Podemos ver que o tratamento com TMAH permite dispersar e diminuir o Si NWs. Além disso, a gravação anisotrópica de TMAH forma pirâmides invertidas na parte inferior dos nanofuros, o que é óbvio após a gravação de 60 s. O aparecimento de pirâmides invertidas não apenas diminui drasticamente a área de superfície do silício nanoestruturado, mas também retém a luz de forma eficaz.

Imagens SEM de diferentes nanoestruturas de Si. a Como fabricado Si NW, Si NW com tempo de corrosão TMAH de b 50, c 60 e d 70 s

A fim de avaliar as características de captação de luz das nanoestruturas, a refletância foi medida, conforme mostrado na Fig. 2a. Para o Si NW como fabricado, a refletância é relativamente baixa no comprimento de onda que varia de 300 a 1100 nm. Para estruturas após o tratamento com TMAH, a propriedade de captura de luz não é tão boa quanto a estrutura Si NW original. No entanto, a refletância óptica média ainda é baixa em comparação com o substrato de Si planar em todos os comprimentos de onda. Além disso, a perda de luz contribui para reduzir os defeitos superficiais.

Reflexão e caracterização do tempo de vida do portador minoritário de diferentes nanoestruturas de Si. a Espectros de reflexão de várias amostras:substrato plano de Si, Si NW sem e com tempo TMAH diferente. b Vida útil do portador minoritário de injeção dependente de amostras diferentes

Recombinação de superfície de substrato de Si NW por tratamento com TMAH

Para determinar a redução de defeitos superficiais, o tempo de vida efetivo do portador minoritário é medido e empregado para avaliar os mecanismos de recombinação. A Figura 2b mostra a vida útil efetiva do portador dependente do nível de injeção ( τ _eff ) de diferentes amostras do processo de corrosão. A tendência da forma da curva é quase a mesma para estes substratos: τ _eff aumenta com o aumento do nível de injeção. No mesmo nível de injeção, substratos de Si nanoestruturados tratados com TMAH exibem maior τ _eff do que o de Si NW um. A Figura 3a, b exibe o diagrama esquemático da medição do tempo de vida da carga minoritária. A fotocondutividade, que está intimamente relacionada à concentração dos portadores, é medida pela absorção de microondas durante e após a excitação com um pulso de laser retangular. A Figura 3c – f exibe o mapeamento de vida da minoria de diferentes amostras a um nível de injeção de 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ . A vida útil média do portador minoritário do substrato de Si NW puro é de apenas 8,1 μs, enquanto para as amostras com tratamento TMAH são 13,6 μs (50 s), 17,0 μs (60 s) e 19,4 μs (70 s).

Mapeamento do tempo de vida do portador de carga minoritária para diferentes amostras de Si. O diagrama esquemático da vida útil do portador de carga minoritária: a a instrução de medição e b o mecanismo de medição do tempo de vida do portador:a fotocondutividade, que está intimamente relacionada à concentração do portador, é medida pela absorção de microondas durante e após a excitação com um pulso de laser retangular. c Si NW sem tratamento com TMAH; Si NW com tratamento TMAH para d 50, e 60 e f 70 s. O tamanho de cada imagem era 1,5 × 1,5 cm ²

O tempo de vida da portadora minoritária de uma célula solar de silício segue a equação abaixo:[24].
$$ \ frac {1} {\ tau _ {\ mathrm {eff}}} =\ frac {1} {\ tau _ {\ mathrm {bulk}}} + \ frac {2S} {W} $$
onde τ é a vida útil efetiva, τ _{em massa} é o tempo de vida de recombinação em massa, S é a taxa de recombinação de superfície, e W é a espessura do wafer. O aumento da vida útil do portador minoritário indica menor taxa de recombinação de superfície, uma vez que tanto a recombinação em massa quanto a espessura foram constantes para todas as amostras. Quando o tempo de corrosão aumenta, o número de Si NWs diminui, o que significa menos defeito de superfície. Como sabemos, os portadores fotogerados são suscetíveis à perda de recombinação de superfície. Com a área de superfície das nanoestruturas significativamente diminuída, prevê-se que os processos de recombinação da superfície também diminuam. Por sua vez, em combinação com a purificação da superfície e redução da área de superfície, a recombinação de carga pode ser dramaticamente suprimida. Para corrosão de 50, 60 e 70 s, a área de superfície diminui junto com a superfície mais lisa, resultando em menos defeitos de superfície e baixa taxa de recombinação. Se aumentarmos ainda mais o tempo de corrosão do TMAH, a nanoestrutura de silício diminuirá e o valor de refletância será muito maior.

Desempenho do dispositivo de célula solar

A estrutura dos dispositivos da célula solar híbrida PEDOT:PSS / Si é mostrada na Fig. 4a. O desempenho dos dispositivos está resumido na Tabela 1. As curvas de densidade de corrente versus voltagem (J-V) de dispositivos com diferentes substratos de Si nanoestruturados são representadas graficamente na Fig. 4b. O dispositivo baseado em Si NW exibe um PCE de 11,02%, V _oc de 0,584 V, J _sc de 29,24 mA · cm ⁻² e FF de 0,64. Por causa dos muitos defeitos da nanoestrutura, o V _oc é relativamente baixo. Depois que o Si NW foi polido pelo tratamento TMAH, o desempenho do dispositivo melhorou muito. Para o processo de corrosão de 50 s, o dispositivo rende um PCE de 13,34%, V _oc de 0,630 V, J _sc de 30,25 mA · cm ⁻² e FF de 0,70. Para os dispositivos de gravação de 60 s, o desempenho do PCE, V _oc , J _sc e FF são 14,08%, 0,632 V, 31,53 mA · cm ⁻² e 0,632. E o dispositivo de substrato à base de corrosão de 70 s exibe um PCE de 12,16%, V _oc de 0,628 V, J _sc de 27,27 mA · cm ⁻² e FF de 0,71. Podemos encontrar o V _oc e FF foram aprimorados muito.

Desempenho do dispositivo do híbrido Si / PEDOT:célula solar PSS: a estrutura do dispositivo de PEDOT:célula solar híbrida PSS / Si, b curvas de densidade-voltagem de corrente (J-V) de dispositivos baseados em diferentes substratos de Si nanoestruturados, c espectros de eficiência quântica externa e d Curvas J-V no escuro

Existem duas razões para esse aprimoramento. O primeiro é que a recombinação foi suprimida na superfície frontal após o tratamento de polimento TMAH, o que é atestado pela medição do tempo de vida da minoria. Além disso, a partir da medição EQE mostrada na Fig. 4c, a resposta espectral do azul (400 a 500 nm) dos dispositivos dependeu muito da estrutura do substrato. Com o aumento do tempo de gravação, o EQE na região azul aumenta. No entanto, a partir dos espectros de reflexão, há uma pequena diferença entre os diferentes processos de nanoestruturação nesta região. Portanto, é atribuído ao aumento dos processos de recombinação de superfície na alta área de superfície das nanoestruturas. Na região de grande comprimento de onda, o EQE diminui à medida que o tempo de corrosão aumenta. Combina bem com as propriedades de reflexão.

A segunda razão é sobre a resistência de contato. Como mostrado na Fig. 5a, a camada PEDOT:PSS raramente pode ser revestida de forma conformada no substrato baseado em Si NW de alta densidade aleatória. No entanto, quando o tratamento TMAH foi aplicado, os nanofios foram afilados e esparsos. Durante o processo de revestimento por rotação, PEDOT:PSS pode infiltrar-se na lacuna, mostrada na Fig. 5b. Além disso, o tratamento com TMAH induz grupos OH sobre a superfície do Si NW, que aumentam a capacidade de aderência do Si NW e PEDOT:PSS [25, 26]. Assim, a área de contato do filme PEDOT:PSS e substrato de nanoestrutura polida é muito maior do que os dispositivos Si NW. Isso significa que a resistência de transferência e coleta de carga na superfície frontal pode ser reduzida pelo tratamento TMAH.

As imagens SEM de PEDOT:PSS em substratos de Si nanoestruturados: a os substratos sem tratamento com TMAH e b os substratos com tratamento TMAH (60 s)

Além disso, a curva J-V escura é mostrada na Fig. 4d. Foi observado que a densidade da corrente de saturação ( J ₀ ) foi suprimido significativamente após a aplicação do tratamento com TMAH. É comumente aceito que V _oc depende fortemente das propriedades na interface onde um baixo J ₀ indica alta qualidade de junção [27,28,29,30]. A diminuição de J ₀ subsequentemente, favorece uma separação de carga mais eficiente na interface e leva ao aumento de V _oc , que é consistente com o desempenho do dispositivo.

Conclusões

Em conclusão, modificamos a estrutura do substrato de Si para células solares híbridas de Si / polímero com tratamento TMAH controlado. Este tratamento pode afinar e poupar os Si NWs, que reduzem a área superficial e os defeitos. A vida útil do portador minoritário é aprimorada devido à minimização do defeito da superfície e da taxa de recombinação da superfície. Com o tratamento TMAH de 60 s, um PCE de 14,08% foi alcançado para a célula solar híbrida Si / polímero. Este processo simples de modificação de superfície promete um método eficaz para os fotovoltaicos à base de Si nanoestruturados.

Abreviações

EQE:: Eficiência quântica externa
FF:: Fator de preenchimento
J _sc :: Corrente de curto-circuito
PCE:: Eficiência de convenção de energia
PEDOT:PSS:: Poli (3,4-etilenodioxitiofeno):poli (estirenossulfonato)
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
Si NWs:: Nanofios de silício
TMAH:: Hidróxido de tetrametil amônio
V _oc :: Voltagem de circuito aberto

Revisão:Filtros de Metal Poroso e Membranas para Separação Óleo-Água Adsorção de metais de transição em fosforeno preto:um estudo de primeiros princípios

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias