Couche de transport de trous PEDOT:PSS améliorée par méthanol booste l'efficacité des cellules hybrides silicium/organique à 12,2 %

Résumé

Dans une investigation expérimentale récente, des cellules solaires hybrides Si/organique efficaces ont été fabriquées utilisant du diméthylsulfoxyde (DMSO) et un mélange PEDOT:PSS dopé surfactant. En soumettant les films PEDOT:PSS à un post-traitement avec des solvants polaires, la performance du dispositif a pu être encore augmentée. Nous avons trouvé que une polarité de solvant plus élevée mène à des efficacités plus élevées. Le traitement au méthanol a produit une conductivité PEDOT:PSS de 1105 S cm⁻¹ et les cellules hybrides correspondantes ont atteint une efficacité record de 12,22 %. La spectroscopie photoélectronique X (XPS) et la spectroscopie Raman ont révélé que l'élimination du PSS isolant et les changements conformationnels dans le polymère sont clés pour le boost de performance. La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) a démontré que les dispositifs traités au méthanol exhibent une résistance de recombinaison et une capacitance plus grandes, soulignant l'efficacité de cette approche simple, peu coûteuse.

Contexte

Les cellules solaires hybrides silicium-organique combinent l'absorption élevée du silicium cristallin avec la nature légère, traitable en solution des couches organiques, offrant une voie vers le photovoltaïque peu coûteux, basse température. La couche de transport de trous (HTL) est cruciale pour l'extraction de charge et la résistance série ; PEDOT:PSS, un polymère conducteur, est largement utilisé comme HTL en électronique organique en raison de sa haute conductivité et transparence optique. Cependant, le composant polystyrène sulfonate (PSS) isolant limite sa performance. Des études précédentes ont employé des co-solvants (ex. DMSO, éthylène glycol) ou traitements acides pour améliorer la conductivité PEDOT:PSS, mais ces approches peuvent compromettre la stabilité ou requérir des produits chimiques agressifs. Ce travail explore un post-traitement doux avec des alcools polaires — particulièrement le méthanol — pour éliminer sélectivement le PSS et réorienter les chaînes PEDOT, améliorant ainsi l'interface Si/PEDOT:PSS sans compromettre la stabilité du dispositif.

Méthodes

Des wafers Si(100) n-type CZ double-face polis (2,6–3,5 Ω cm, 450 µm épais) ont été nettoyés séquentiellement dans acétone, éthanol et eau DI (ultrasons 20 min chacun). Les wafers ont ensuite été oxydés dans solution piranha 80 °C (3:1 H₂SO₄/H₂O₂) pendant 30 min, rincés, et gravés dans HF 5 % pendant 5 min pour exposer une surface H-Si. Une fine couche de passivation SiO₂ a été formée en immergeant les wafers dans HNO₃ 10 % (5 min). La dispersion PEDOT:PSS (Clevios PH1000) a été mélangée avec 5 % pds DMSO et 1 % pds Triton X-100, puis déposée par centrifugation sur le substrat SiO₂/Si (1500 tr/min, 60 s) et recuite à 140 °C pendant 10 min sous N₂. Un aliquot de 60 µL de méthanol (ou autres alcools) a ensuite été déposé sur le film PEDOT:PSS séché et centrifugé à nouveau (2000 tr/min, 60 s) avant un recuit final à 120 °C pendant 10 min. Des grilles argent (200 nm) ont été évaporées thermiquement comme électrode supérieure, et aluminium (200 nm) déposé sur la face arrière sous vide élevé (~10⁻⁷ Pa). Les dispositifs avaient une surface active de 0,3 cm².

La performance des dispositifs (J-V, EQE) a été mesurée sous illumination AM 1.5 (100 mW cm⁻²) d'une lampe xénon, calibrée avec une cellule silicium de référence. La conductivité du film PEDOT:PSS a été déterminée par sonde 4 points (RST‑9). Les spectres XPS ont été collectés sur un Thermo ESCALAB 250 (Al Kα). Les spectres Raman ont été acquis avec un laser 532 nm. La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) a été réalisée avec un poste de travail CHI660E (10⁻¹–10⁶ Hz). La transmittance et l'AFM ont été utilisés pour évaluer les propriétés optiques et de surface.

Résultats et Discussion

Performance des cellules hybrides PEDOT:PSS/Si

La Figure 1 présente les caractéristiques J-V et EQE des cellules traitées avec différents alcools. Le témoin (DMSO seulement) exhibait V_OC = 0,552 V, J_SC = 27,09 mA cm⁻², FF = 63,6 %, donnant PCE = 9,51 %. Le traitement IPA augmentait PCE à 9,98 % (J_SC = 27,71 mA cm⁻², FF = 64,7 %). Le traitement éthanol élevait PCE à 10,69 % (V_OC = 0,556 V, J_SC = 28,16 mA cm⁻², FF = 68,3 %). Le traitement méthanol produisait le PCE le plus haut de 12,22 % (J_SC = 30,58 mA cm⁻², FF = 72,0 %) — une amélioration de 28 % par rapport au témoin.

Conductivité et propriétés optiques

Les mesures sonde 4 points ont révélé que la conductivité PEDOT:PSS augmentait de 0,3 S cm⁻¹ (sans DMSO) à 650 S cm⁻¹ avec DMSO. Le post-traitement avec IPA, éthanol et méthanol augmentait davantage les conductivités à 826, 908 et 1105 S cm⁻¹ respectivement. La résistance de feuille chutait de 200 Ω cm² (témoin) à 105 Ω cm² (méthanol). La transmittance à 550 nm restait >95 % pour tous les films, indiquant que l'amélioration provient de changements électroniques plutôt qu'optique.

Insights structuraux par Raman et XPS

Les spectres Raman montraient un décalage systématique du pic PEDOT C_α–C_β de 1429 cm⁻¹ (témoin) à 1425,8 cm⁻¹ (IPA), 1422,7 cm⁻¹ (méthanol), reflétant une transition de conformation benzoïde à quinoïde, qui améliore la mobilité de charge. L'analyse XPS S 2p indiquait une réduction du ratio PSS/PEDOT de 2,48 (témoin) à 1,33 (méthanol), confirmant l'élimination sélective du PSS isolant. L'AFM confirmait que la rugosité de surface restait faible (≤2,4 nm) pour tous les traitements.

Spectroscopie d'impédance

L'EIS a révélé une résistance de recombinaison (R_PN) plus grande et une durée de vie porteurs minoritaires plus longue (τ ≈ 751 µs) pour dispositifs traités méthanol comparé à 622 µs pour témoins, indiquant une recombinaison interfaciale réduite. L'analyse Mott-Schottky montrait un changement négligeable du potentiel construit, confirmant que la performance améliorée provient du transport de charge amélioré plutôt que de décalages d'alignement de bande.

Conclusions

Cette étude démontre qu'un simple post-traitement des films PEDOT:PSS avec du méthanol peut markedly améliorer la conductivité (jusqu'à 1105 S cm⁻¹) et par conséquent l'efficacité des cellules solaires hybrides Si/PEDOT:PSS (12,22 %). L'amélioration est attribuée à l'élimination sélective du PSS, la réorganisation conformationnelle des chaînes PEDOT et la réduction de la recombinaison interfaciale. Comme le processus implique seulement un dépôt par centrifugation de solvant doux et un recuit basse température, il offre une voie évolutive, rentable vers le photovoltaïque hybride haute performance.