텍스처드 표면과 은 나노와이어 전극을 가진 고성능 PEDOT:PSS/n-Si 태양전지

요약

하이브리드 이종접합 태양전지(HHSC)는 단순한 구조와 저비용 제작으로 매력적입니다. 본 연구에서는 고투명 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 통상 화학 에칭으로 미세 텍스처링된 n-형 결정질 실리콘(n-Si)에 직접 스핀 코팅했습니다. 코팅 조건 최적화로 간단한 용액 공정만으로 8.54% 전력 변환 효율(PCE) 달성. 높은 효율은 PEDOT:PSS 필름과 텍스처드 실리콘 간 순응적 접촉에서 기인. 기존 은 격자 전극을 은 나노와이어(AgNWs)로 대체해 추가 향상 달성. AgNWs는 우수한 광투과율과 전도성 제공. 이 수정으로 PCE가 11.07%로 상승, 기존 전극 대비 29.6% 개선. PEDOT:PSS와 AgNWs, 텍스처드 실리콘 결합이 고효율, 저비용 태양전지 유망 경로임 입증.

배경

결정질 실리콘은 성능과 비용 균형으로 전 세계 광전지 시장의 약 90% 점유. PEDOT:PSS와 n-결정질 실리콘을 짝지은 하이브리드 이종접합 태양전지는 도펀트-프리, 진공-프리, 저온, 용액 공정 제작으로 매력적 대안 부상. PEDOT:PSS/n-Si HHSC 현재 기록은 16.2% PCE, 기존 실리콘 셀과 효율 격차 지속 좁혀짐.

PEDOT:PSS/n-Si 셀에서 결정질 실리콘은 고이동도 흡수체 역할, PEDOT:PSS 층은 투명 전도성 정공 수송 윈도우 역할. 그러나 전체 효율은 종종 PEDOT:PSS/n-Si 계면 품질로 제한됨. 표면 텍스처링, 패시베이션 층, 후면 전계 등 계면 엔지니어링이 재결합 감소와 전하 수집 개선에 효과적임 입증.

많은 전략이 평면 기판에 집중하지만, PEDOT:PSS와 텍스처드 실리콘 간 접촉 품질은 덜 탐구됨. 텍스처링은 보통 알칼리 에천트로 무작위 마이크로 피라미드 생성해 광 포집 향상시키나 균일 박막 증착에 도전 과제도 안겨줌. 또한 기존 은 전극은 텍스처드 표면에서 광투과율 제한. 은 나노와이어는 높은 투과율과 전도성 제공하며 텍스처드 폴리머 위 드롭 캐스팅 호환으로 해결책 제시.

방법

HHSC용 텍스처드 Si 기판 준비

n-Si(100) 초크랄스키 웨이퍼(두께 210 µm, 1-3 Ω·cm) 사용. 표준 SC1/SC2 세정 후, 75°C 고농도 KOH 용액에서 2-3분 연마해 손상 층 제거. 표면을 2 wt.% KOH/2 wt.% 아이소프로판올 욕조에서 75°C, 15-20분 에칭해 평균 높이 ~1 µm 이면 랜덤 피라미드 구조 형성. 최종 RCA 세정과 짧은 HF 딥(0.5-1분)으로 산화물 없는 소수성 실리콘 표면 얻어 PEDOT:PSS 증착 준비.

Si/PEDOT:PSS 하이브리드 태양전지 제작

그림 1은 제작 순서 예시. 웨이퍼 후면에 200 nm 알루미늄 후면 콘택트 스퍼터링. PEDOT:PSS(Clevios PH1000) 용액에 5 wt.% DMSO와 0.1 wt.% 불소 계면활성제(Capstone FS31) 도핑해 전도성과 습윤성 개선. 혼합물을 다양한 속도(1,000-8,000 rpm)로 스핀 코팅, 130°C 15분 어닐링. 기존 전극은 200 nm 은 격자를 섀도 마스크로 열증착. AgNWs 변형은 5 mg/mL 분산액(직경 50 nm, 길이 100-200 µm, XFNANO)을 웨이퍼에 드롭 캐스팅, 150°C 5분 건조.

소자 특성 분석

반사율 적분구 측정, SEM Hitachi S4800 촬영. 전류-전압(J-V) 특성 AM 1.5(100 mW/cm²) 조명하 Oriel 태양 모의기(94063A)와 Keithley 2400 소스미터로 기록. 흡수 스펙트럼 UV-8000 분광광도계, PEDOT:PSS 필름 투과율 QEX10 분광광도계 측정. 시트 저항 4-탐침 테스터(SDY-4)로 결정.

결과 및 논의

첨가제로 PEDOT:PSS 필름 광학, 전기적 특성 향상은 검증된 전략. PEDOT:PSS 용액에 5 wt.% DMSO 첨가 시 전도도 10배 증가, 0.1 wt.% FS31은 소수성 실리콘 위 접촉각을 104.3°에서 훨씬 낮게 줄여 균일 코팅 가능케 함.

그림 3에서 5,000 rpm 코팅 시 PEDOT:PSS 필름 가시광선 ~85% 투과. DMSO와 FS31 첨가로 600-1,000 nm 투과율 약간 증가, 400-600 nm 흡수 개선돼 훌륭한 광학 윈도우 역할.

마이크로 피라미드 텍스처링으로 기준 반사율 ~10-20% 감소. PEDOT:PSS 층 추가로 스펙트럼 전반 반사율 ~5% 추가 감소, 정확한 값은 스핀 코팅 속도 의존. 높은 스핀 속도는 표면 장력 증가로 폴리머가 피라미드 골짜기 침투해 접촉 개선. 그림 4, 5에서 4,000-5,000 rpm에서 필름이 텍스처에 밀착해 보이드 제거, 접합 면적 최대화. 그러나 8,000 rpm에서는 필름 너무 얇아 간극 발생, 개방 회로 전압 감소.

반사율 측정(그림 6) 확인: PEDOT:PSS 층이 반사 방지 개선, 특히 600-1,000 nm 파장. 최적 스핀 속도 필름 두께(기생 흡수 최소화)와 접합 커버리지(전하 수집 최대화) 균형. 최고 소자 성능(J_sc = 26.88 mA/cm², FF = 62.1%, V_oc = 0.56 V, PCE = 11.07%)은 4,000 rpm 코팅과 은 나노와이어 전극으로 달성.

J-V 곡선(그림 7) 명확한 추세: 스핀 속도 1,000에서 5,000 rpm 증가 시 접합 면적 개선과 재결합 감소로 J_sc 상승. 5,000 rpm 넘어가면 필름 너무 얇아 성능 저하.

은 나노와이어 전극은 직렬 저항 0.84에서 0.38 Ω·cm²로 낮추고, FF 62.1%에서 72.2%로 증가, V_oc 0.51에서 0.56 V로 향상. AgNWs는 플라즈모닉 광 산란으로 400-700 nm 흡수 증진, 더 높은 단락 전류 밀도 기여.

결론

PEDOT:PSS에 DMSO와 FS31 첨가로 고전도성, 저접촉각 필름 얻어 마이크로 텍스처드 실리콘에 잘 순응. 스핀 코팅 속도 4,000 rpm 최적화로 접합 면적 최대화하며 적정 필름 두께 유지, 은 나노와이어 전극으로 PCE 11.07% 달성. 이 접근법은 고효율, 저비용 하이브리드 태양전지 단순, 확장 가능 경로 제공.