微纹理表面与银纳米线电极实现高性能PEDOT:PSS/n-Si太阳能电池

摘要

混合异质结太阳能电池(HHSC)因其简单架构和低成本制造而具吸引力。本研究将高透明导电聚合物聚(3,4-乙二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)直接旋涂经常规化学刻蚀微纹理化的n型晶体硅(n-Si)上。通过优化涂覆条件，利用直观溶液工艺实现8.54%功率转换效率(PCE)。高效率源于PEDOT:PSS薄膜与纹理硅的顺应性接触。进一步用银纳米线(AgNWs)替代传统银栅电极获得增强，AgNWs提供更优光学透射率和电导率。此改进将PCE提升至11.07%，较传统电极提高29.6%。结果表明结合PEDOT:PSS、AgNWs和纹理硅为高效、低成本太阳能电池提供有前途路径。

背景

晶体硅凭借性能与成本平衡占全球光伏市场约90%份额。以n-晶硅与PEDOT:PSS配对的混合异质结太阳能电池作为引人注目替代方案兴起，得益于其无掺杂、无真空、低温、溶液法制造。PEDOT:PSS/n-Si HHSC当前纪录PCE 16.2%，与传统硅电池效率差距持续缩小。

PEDOT:PSS/n-Si电池中，晶体硅作高迁移率吸收层，PEDOT:PSS层作透明导电空穴传输窗口。然而整体效率常受限于PEDOT:PSS/n-Si界面质量。界面工程——通过表面纹理化、钝化层或背表面场——已证实能减少复合改善载流子收集。

虽多策略聚焦平面衬底，但PEDOT:PSS与纹理硅接触质量探索较少。纹理化典型用碱性刻蚀剂形成随机微金字塔增强捕光，但也给均匀薄膜沉积带来挑战。此外，传统银电极在纹理表面光学透明度有限。银纳米线提供解决方案，兼具高透射率和导电性，且适配滴铸于纹理聚合物上。

方法

HHSC用纹理Si衬底制备

用n-Si(100)直拉法晶圆(210 µm厚, 1-3 Ω·cm)作衬底。标准SC1/SC2清洗后，75°C高浓度KOH溶液抛光2-3 min去除损伤层。随后2 wt.% KOH/2 wt.%异丙醇浴中75°C刻蚀15-20 min形成双面随机金字塔结构，平均高度~1 µm。最终RCA清洗和短暂HF浸泡(0.5-1 min)得无氧化层疏水硅表面，准备PEDOT:PSS沉积。

Si/PEDOT:PSS混合太阳能电池制造

图1展示制造序列。背面溅射200 nm铝背接触。PEDOT:PSS(Clevios PH1000)溶液掺杂5 wt.% DMSO和0.1 wt.%氟表面活性剂(Capstone FS31)提高导电性和润湿性。混合液不同转速(1,000-8,000 rpm)旋涂，130°C退火15 min。常规电极用影子掩膜热蒸发200 nm银栅。AgNWs变体用5 mg/mL分散液(50 nm直径、100-200 µm长银纳米线，XFNANO)异丙醇中滴铸晶圆，150°C干燥5 min。

器件表征

积分球测反射率；Hitachi S4800拍SEM图像。Oriel太阳模拟器(94063A) AM 1.5(100 mW/cm²)照明下用Keithley 2400源表记录电流-电压(J-V)特性。UV-8000分光光度计获吸收光谱，QEX10分光光度计测PEDOT:PSS薄膜透射率。四探针测试仪(SDY-4)测方块电阻。

结果与讨论

通过添加剂增强PEDOT:PSS薄膜光电性能是成熟策略。向PEDOT:PSS溶液加5 wt.% DMSO使导电性提高一个数量级，0.1 wt.% FS31将疏水硅上接触角从104.3°降至更低值，实现更均匀涂覆。

图3显示5,000 rpm旋涂PEDOT:PSS薄膜可见光透射率~85%。掺杂DMSO和FS31后600-1,000 nm透射率轻微提升，400-600 nm吸收改善，使其成为优异光学窗口。

微金字塔纹理增强捕光，基线反射率降至~10-20%。加PEDOT:PSS层全谱降反射率~5%，但具体值取决于旋涂速度。高转速增加表面张力使聚合物渗透金字塔谷底改善接触。图4和5说明4,000-5,000 rpm薄膜紧贴纹理，消除空隙最大化结面积。但8,000 rpm薄膜过薄留空隙降低开路电压。

反射率测量(图6)确认PEDOT:PSS层改善抗反射，尤其600-1,000 nm。最优转速平衡薄膜厚度(最小化寄生吸收)和结面积覆盖(最大化载流子收集)。4,000 rpm配银纳米线电极获最佳器件性能——J_sc=26.88 mA/cm², FF=62.1%, V_oc=0.56 V, PCE=11.07%。

J-V曲线(图7)显示明确趋势：转速从1,000增至5,000 rpm时J_sc因结面积改善和复合减少而上升。超5,000 rpm性能下降因薄膜过薄。

银纳米线电极进一步改善器件指标：串联电阻从0.84降至0.38 Ω·cm²，填充因子从62.1%增至72.2%，开路电压从0.51增至0.56 V。AgNWs还提供等离子体光散射，增强400-700 nm吸收，促成更高短路电流密度。

结论

向PEDOT:PSS添加DMSO和FS31获得高导电、低接触角薄膜，良好顺应微纹理硅。优化旋涂速率至4,000 rpm在保持适当薄膜厚度下最大化结面积，配合银纳米线电极实现11.07% PCE。此法提供简单、可规模化高效低成本混合太阳能电池路径。