PEDOT:PSS材料特性对PEDOT:PSS/n-Si杂化异质结太阳电池性能影响研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 2次 | 上传用户:rg595091068
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聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate),PEDOT:PSS)和n型硅(n-Si)结合形成的有机/无机杂化异质结太阳电池因其简单的制备工艺和较高的转换效率被广泛关注。PEDOT:PSS作为一种透明导电聚合物,具有较高的透过率(>80%),较高的导电率(700S/cm),以及较高的功函数(5.0 eV),与n-Si结合由于没有费米能级钉扎效应,能诱导硅表面形成反型。同时PEDOT:PSS透过率高以及对硅片有较好的减反效果,使得大部分光被硅吸收,而PEDOT:PSS对硅表面有一定的钝化效果保证了p-n结的质量。PEDOT:PSS作为p-n结的一部分,其特性对器件的性能有巨大的影响,通过改善PEDOT:PSS的特性来提升器件的性能具有重要意义。本文主要是围绕PEDOT:PSS材料特性展开研究来提升PEDOT:PSS/Si杂化异质结太阳电池的光电性能。本论文主要研究工作包括以下几个方面:(1)双层PEDOT:PSS结构对PEDOT:PSS/Si杂化异质结太阳电池光电性能影响的研究。根据PEDOT:PSS材料特性,设计双层PEDOT:PSS结构,下层采用高功函数PEDOT:PSS,上层采用高导电性PEDOT:PSS。结果表明,下层高功函数PEDOT:PSS诱导硅表面形成强反型层,增强了内建电势,并抑制了硅表面复合。由于上层高导电性PEDOT:PSS的覆盖,下层高功函数PEDOT:PSS差的导电性在35 nm情况下并不影响整个器件的串联电阻,没有任何其他修饰的情况下开路电压提升了31 mV达到了640 mV,填充因子0.755,转换效率12.69%。开路电压的提高有助于空间电荷区光生载流子的分离。同时还系统地研究了不同乙二醇含量对下层高功函数PEDOT:PSS形貌及导电性的影响以及器件光电性能的影响。结果发现,高功函数PEDOT:PSS薄膜随着乙二醇的加入,表面粗糙度从0.72 nm增加到了2.31 nm,方块电阻从2?106Ω?sq-1降到了9.9?103Ω?sq-1。太阳电池的开路电压随乙二醇含量变化不大,短路电流密度随乙二醇含量的增加略有下降,填充因子则随着乙二醇含量的增加而提高,当乙二醇含量为7 wt%时器件有最佳转换效率。(2)金属银聚合物复合电极在PEDOT:PSS/Si杂化异质结太阳电池中的应用研究。在双层PEDOT:PSS的基础上,用超薄银电极代替上层高导电性PEDOT:PSS和银栅线,实现载流子的高效收集。金属银直接沉积在聚合物PEDOT:PSS表面,在小于10 nm厚度的情况下成三维岛状生长,导致较差的光学性能和电学性能,而加入一层超薄Au/MoOx修饰层,在6 nm厚度下金属银就能实现连续成膜,并减小了PEDOT:PSS和银之间的接触电阻,显著提升光学性能及电学性能,同时MoOx功函数较高,能进一步增强硅表面反型,抑制硅表面复合,使载流子有效地分离和收集。采用有Au/MoOx修饰层的超薄银顶电极制备得到的太阳电池器件的填充因子提高到了0.802,展现出了其巨大的载流子收集潜力。针对其短路电流密度小的问题,我们在上面引入一层MoOx减反层,并利用有限元法模拟计算了PEDOT:PSS和MoOx减反层的匹配厚度,当厚度分别为40 nm和45nm时,光电流密度损失最小。实验结果表明覆盖一层MoOx减反层,太阳电池的短路电流密度增加到了23.13 mA?cm-2,转换效率为10.82%。
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