표면 구조가 수정된 고성능 유기 나노구조 실리콘 하이브리드 태양전지

결과 및 토론

TMAH 처리에 의한 SiNW 기질의 형태 및 광학적 특성

제작된 고밀도 Si 나노구조의 SEM 이미지는 그림 1a에 나와 있습니다. Si NW는 평균 와이어 직경 크기가 30~50nm인 Si 웨이퍼에 균일하게 분포되어 있습니다. 나노와이어는 2단계 금속 보조 화학 에칭으로 제조된다[20]. 첫 번째 단계에서 Ag 나노입자는 Ag와 Si 사이의 환원 및 산화를 통해 자기조립되며, 두 번째 단계에서는 HF와 H2로 구성된 혼합 에칭액에서 수직으로 에칭됩니다. O₂ . Si NW 밀도가 매우 높고 표면적이 넓다는 것을 알 수 있습니다. 그림 1b–d는 50초에서 70초까지 다양한 이방성 TMAH 에칭 시간을 거친 Si NW의 SEM 이미지를 보여줍니다. 높이는 각각 50, 60, 70초의 에칭 시간 후 약 120, 100, 95nm입니다. 에칭 처리는 나노구조의 형태를 명확하게 변화시킨다[22, 23]. TMAH의 농도와 식각 온도는 일정하기 때문에 식각 시간이 증가할수록 더 많은 다공성 SiNW가 식각됩니다. 우리는 TMAH 처리가 Si NW를 희박하고 가늘어지게 하는 것을 볼 수 있습니다. 더욱이, 이방성 TMAH 에칭은 나노홀의 바닥에 역 피라미드를 형성하는데, 이는 60초 에칭 후에 명백합니다. 역 피라미드의 출현은 나노구조 실리콘의 표면적을 극적으로 감소시킬 뿐만 아니라 빛을 효과적으로 포획합니다.

다양한 Si 나노구조의 SEM 이미지. 아 제작된 Si NW, TMAH 에칭 시간이 b인 Si NW 50, c 60 및 d 70초

나노구조체의 광수집 특성을 평가하기 위해 그림 2a와 같이 반사율을 측정하였다. As-fabricated Si NW의 경우 반사율은 300~1100nm 범위의 파장에서 상대적으로 낮습니다. TMAH 처리 후 구조의 경우 광 트래핑 특성이 원래의 Si NW 구조만큼 좋지 않습니다. 그러나 평균 광학 반사율은 모든 파장에서 평면 Si 기판에 비해 여전히 낮습니다. 또한, 빛의 손실은 표면 결함을 줄이는 데 기여합니다.

다양한 Si 나노구조의 반사 및 소수 캐리어 수명 특성화. 아 다양한 샘플의 반사 스펙트럼:평면 Si 기판, 다른 TMAH 시간이 있거나 없는 Si NW. ㄴ 주입에 따른 다양한 샘플의 소수 캐리어 수명

TMAH 처리에 의한 Si NW 기질의 표면 재결합

표면 결함의 감소를 결정하기 위해 유효 소수 캐리어 수명이 측정되고 재조합 메커니즘을 평가하기 위해 사용됩니다. 그림 2b는 주입 수준에 따른 유효 캐리어 수명(τ _에프 ) 다른 에칭 공정 샘플. 곡선 모양의 경향은 다음 기질에 대해 거의 동일합니다. τ _에프 주입 수준이 증가함에 따라 증가합니다. 동일한 주입 수준에서 TMAH 처리된 나노구조 Si 기판은 더 높은 τ를 나타냅니다. _에프 Si NW one보다. 그림 3a, b는 소수 충전 수명 측정의 개략도를 표시합니다. 캐리어의 농도와 밀접한 관련이 있는 광전도도는 직사각형 레이저 펄스로 여기 중 및 여기 후에 마이크로파 흡수에 의해 측정됩니다. 그림 3c–f는 5 × 10 ¹⁷ 주입 수준에서 다양한 샘플의 소수 수명 매핑을 표시합니다. cm ⁻³ . 깨끗한 Si NW 기판의 평균 소수 캐리어 수명은 8.1μs에 불과한 반면 TMAH 처리가 적용된 샘플의 경우 13.6μs(50초), 17.0μs(60초) 및 19.4μs(70초)입니다.

다양한 Si 샘플에 대한 소수 전하 캐리어 수명 매핑. 소수 전하 캐리어 수명의 개략도:a 측정 지침 및 b 캐리어 수명 측정 메커니즘:캐리어 농도와 밀접한 관련이 있는 광전도도는 직사각형 레이저 펄스로 여기 중 및 여기 후에 마이크로파 흡수에 의해 측정됩니다. ㄷ TMAH 처리가 없는 Si NW; d에 대한 TMAH 치료를 받은 Si NW 50, 이 60 및 f 70초 각 이미지의 크기는 1.5 × 1.5cm ² 입니다.

실리콘 태양전지의 소수 캐리어 수명은 다음 방정식과 같습니다. [24].

여기서 τ 유효 수명, τ _대량 대량 재조합 수명, S 는 표면 재결합 속도이고 W 는 웨이퍼 두께입니다. 증가하는 소수 캐리어 수명은 벌크 재결합과 두께가 모든 샘플에 대해 일정했기 때문에 더 낮은 표면 재결합율을 나타냅니다. 식각 시간이 길어질수록 Si NW의 수가 줄어들어 표면 결함이 줄어든다. 우리가 알다시피, 광 생성 캐리어는 표면 재조합 손실에 취약합니다. 나노구조의 표면적이 현저히 감소함에 따라 표면 재결합 과정도 감소할 것으로 예상된다. 차례로, 표면 정화 및 표면적 감소와 함께 전하 재결합이 극적으로 억제될 수 있습니다. 50, 60, 70초 에칭의 경우 표면이 매끄럽고 표면적이 감소하여 표면 결함이 적고 재결합률이 낮습니다. TMAH 에칭 시간을 더 늘리면 실리콘 나노 구조가 줄어들고 반사율 값이 훨씬 높아집니다.

태양 전지 장치 성능

PEDOT:PSS/Si 하이브리드 태양전지의 소자 구조는 그림 4a와 같다. 장치의 성능은 표 1에 요약되어 있습니다. 다양한 나노구조 Si 기판을 가진 장치의 전류 밀도 대 전압(J-V) 곡선은 그림 4b에 표시되어 있습니다. Si NW 기반 장치는 11.02%, V의 PCE를 나타냅니다. _oc 0.584 V의 J _sc 29.24mA·cm ⁻² , 0.64의 FF. 나노구조의 많은 결함으로 인해 V _oc 상대적으로 낮습니다. TMAH 처리에 의해 연마된 Si NW 후에 소자 성능이 많이 향상된다. 50초 에칭 공정의 경우 장치는 13.34%의 PCE를 산출합니다. V _oc 0.630V의 J _sc 30.25mA·cm ⁻² 및 0.70의 FF. 60-s 식각 장치의 경우 PCE의 성능, V _oc , 제 _sc 및 FF는 14.08%, 0.632V, 31.53mA·cm ⁻² 입니다. , 및 0.632. 그리고 70-s 에칭 기반 기판의 소자는 12.16%의 PCE를 나타냅니다. V _oc 0.628V의 J _sc 27.27mA·cm ⁻² , 0.71의 FF. V를 찾을 수 있습니다. _oc 및 FF가 많이 향상되었습니다.

하이브리드 Si/PEDOT:PSS 태양 전지의 장치 성능:a PEDOT:PSS/Si 하이브리드 태양전지의 소자 구조, b 다양한 나노구조의 Si 기판을 기반으로 한 소자의 전류 밀도-전압(J-V) 곡선, c 외부 양자 효율 스펙트럼 및 d 어두운 곳에서 J-V 곡선

이 향상에는 두 가지 이유가 있습니다. 첫 번째는 TMAH 연마 처리 후 전면에서 재결합이 억제되어 소수 수명 측정으로 입증되었습니다. 또한 그림 4c에 표시된 EQE 측정에서 소자의 청색 스펙트럼 응답(400~500nm)은 기판 구조에 크게 의존했습니다. 에칭 시간이 증가함에 따라 파란색 영역의 EQE가 증가합니다. 그러나 반사 스펙트럼에서 이 영역의 서로 다른 나노 구조화 프로세스 간에 작은 차이가 있습니다. 따라서 나노구조체의 높은 표면적에서 증가된 표면 재결합 과정에 기인한다. 큰 파장 영역에서 EQE는 에칭 시간이 증가함에 따라 감소합니다. 반사 속성과 잘 일치합니다.

두 번째 이유는 접촉 저항에 관한 것입니다. 그림 5a에서 볼 수 있듯이 PEDOT:PSS 층은 무작위의 고밀도 Si NW 기반 기판에 거의 균일하게 코팅될 수 없습니다. 그러나 TMAH 처리가 적용되면 나노와이어가 점점 가늘어지고 희박해집니다. 스핀 코팅 과정에서 PEDOT:PSS가 그림 5b와 같이 틈으로 스며들 수 있습니다. 또한 TMAH 처리는 Si NW 표면에 OH 기를 유도하여 Si NW와 PEDOT:PSS의 접착력을 증가시킵니다[25, 26]. 따라서 PEDOT:PSS 필름과 연마된 나노구조 기판의 접촉 면적은 Si NW 장치보다 훨씬 큽니다. 이는 TMAH 처리로 전면의 전하 이동 및 수집 저항을 줄일 수 있음을 의미합니다.

나노구조의 Si 기판에서 PEDOT:PSS의 SEM 이미지:a TMAH 처리가 없는 기질 및 b TMAH 처리된 기질(60초)

또한 어두운 J-V 곡선이 그림 4d에 나와 있습니다. 포화 전류 밀도(J ₀ ) TMAH 처리를 적용한 후 유의하게 억제되었습니다. 일반적으로 V _oc 낮은 J가 있는 인터페이스의 속성에 크게 의존 ₀ 높은 접합 품질을 나타냅니다[27,28,29,30]. J 감소 ₀ 결과적으로 인터페이스에서 보다 효율적인 전하 분리를 선호하고 V의 증가로 이어집니다. _oc , 이는 기기 성능과 일치합니다.