Cellules solaires hybrides PEDOT:PSS/n-Si haute performance avec surfaces texturées et électrodes en nanofils d'argent

Résumé

Les cellules solaires à hétérojonction hybride (CSHH) sont attractives pour leur architecture simple et leur fabrication à faible coût. Dans cette étude, nous déposons par essorage un polymère conducteur hautement transparent, le poly(3,4-éthylènedioxythiophène):poly(styrènesulfonate) (PEDOT:PSS), directement sur du silicium cristallin de type n (n-Si) qui a été micro-texturé par gravure chimique conventionnelle. En optimisant les conditions de revêtement, nous avons atteint un rendement de conversion de puissance (RCP) de 8,54 % en utilisant un procédé simple basé sur la solution. Le haut rendement provient du contact conforme entre le film PEDOT:PSS et le silicium texturé. Une amélioration supplémentaire a été obtenue en remplaçant les électrodes à grille d'argent conventionnelles par des nanofils d'argent (AgNF), qui offrent une transmittance optique et une conductivité électrique supérieures. Cette modification a porté le RCP à 11,07 %, une amélioration de 29,6 % par rapport aux électrodes traditionnelles. Nos résultats démontrent que la combinaison de PEDOT:PSS avec des AgNF et du silicium texturé offre une voie prometteuse vers des cellules solaires à haut rendement et faible coût.

Contexte

Le silicium cristallin domine le marché photovoltaïque mondial, représentant environ 90 % des ventes en raison de son équilibre entre performance et coût. Les cellules solaires à hétérojonction hybride associant le silicium cristallin de type n au PEDOT:PSS sont apparues comme une alternative convaincante, grâce à leur fabrication sans dopant, sans vide, à basse température et par traitement en solution. Le record actuel pour une CSHH PEDOT:PSS/n-Si est de 16,2 % de RCP, et l'écart d'efficacité avec les cellules silicium conventionnelles se réduit régulièrement.

Dans une cellule PEDOT:PSS/n-Si, le silicium cristallin agit comme absorbant à haute mobilité, tandis que la couche PEDOT:PSS sert de fenêtre transparente et conductrice pour le transport de trous. Cependant, l'efficacité globale est souvent limitée par la qualité de l'interface PEDOT:PSS/n-Si. L'ingénierie d'interface — par texturation de surface, couches de passivation ou champs de surface arrière — s'est avérée efficace pour réduire la recombinaison et améliorer la collecte de charge.

Alors que de nombreuses stratégies se concentrent sur les substrats plans, la qualité du contact entre PEDOT:PSS et le silicium texturé a été moins explorée. La texturation, généralement réalisée avec des agents alcalins, crée des micro-pyramides aléatoires qui améliorent le piégeage de la lumière mais posent aussi des défis pour le dépôt de film uniforme. De plus, les électrodes d'argent traditionnelles peuvent souffrir d'une transparence optique limitée sur les surfaces texturées. Les nanofils d'argent offrent une solution, fournissant une haute transmittance et conductivité tout en étant compatibles avec le dépôt par goutte sur des polymères texturés.

Méthodes

Préparation des substrats Si texturés pour CSHH

Nous avons utilisé des wafers n-Si(100) Czochralski (210 µm d'épaisseur, 1-3 Ω·cm) comme substrats. Après nettoyage standard SC1/SC2, les wafers ont été polis dans une solution KOH à haute concentration à 75 °C pendant 2-3 min pour éliminer la couche endommagée. Les surfaces ont ensuite été gravées dans un bain 2 % en poids KOH/2 % en poids isopropanol à 75 °C pendant 15-20 min pour former une structure de pyramides aléatoires double-face avec une hauteur moyenne de ~1 µm. Un nettoyage RCA final et un trempage bref dans HF (0,5-1 min) ont produit une surface de silicium sans oxyde, hydrophobe, prête pour le dépôt de PEDOT:PSS.

Fabrication des cellules solaires hybrides Si/PEDOT:PSS

La Figure 1 illustre la séquence de fabrication. Un contact arrière en aluminium de 200 nm a été pulvérisé sur le dos du wafer. La solution PEDOT:PSS (Clevios PH1000) a été dopée avec 5 % en poids de DMSO et 0,1 % en poids de surfactant fluoré (Capstone FS31) pour améliorer la conductivité et la mouillabilité. Le mélange a été essoré à divers taux (1 000-8 000 tr/min) et recuit à 130 °C pendant 15 min. Pour les électrodes conventionnelles, une grille d'argent de 200 nm a été évaporée thermiquement à travers un masque d'ombre. Pour la variante AgNF, une dispersion de 5 mg/mL de nanofils d'argent de 50 nm de diamètre, 100-200 µm de long (XFNANO) dans l'isopropanol a été déposée par goutte sur le wafer et séchée à 150 °C pendant 5 min.

Caractérisation du dispositif

La réflectance a été mesurée avec une sphère intégrante ; les images MEB ont été capturées avec un Hitachi S4800. Les caractéristiques courant-tension (J-V) ont été enregistrées sous illumination AM 1,5 (100 mW/cm²) en utilisant un simulateur solaire Oriel (94063A) et un sourcemeter Keithley 2400. Les spectres d'absorption ont été obtenus avec un spectrophotomètre UV-8000, et la transmittance du film PEDOT:PSS a été mesurée avec un spectrophotomètre QEX10. La résistance de surface a été déterminée par un testeur à quatre pointes (SDY-4).

Résultats et Discussion

L'amélioration des propriétés optiques et électriques du film PEDOT:PSS via des additifs est une stratégie éprouvée. L'ajout de 5 % en poids de DMSO à la solution PEDOT:PSS augmente sa conductivité d'un ordre de grandeur, tandis que 0,1 % en poids de FS31 réduit l'angle de contact sur le silicium hydrophobe de 104,3° à une valeur beaucoup plus faible, permettant un revêtement plus uniforme.

La Figure 3 montre que le film PEDOT:PSS transmet ~85 % de la lumière visible lorsqu'il est essoré à 5 000 tr/min. Avec DMSO et FS31, la transmittance augmente légèrement sur 600-1 000 nm, et l'absorption du film dans la gamme 400-600 nm s'améliore, en faisant une excellente fenêtre optique.

La texturation micro-pyramidale améliore le piégeage de la lumière, réduisant la réflectance de base à ~10-20 %. L'ajout d'une couche PEDOT:PSS abaisse la réflectance d'environ 5 % sur le spectre, mais la valeur exacte dépend de la vitesse d'essorage. Des vitesses d'essorage plus élevées augmentent la tension de surface, permettant au polymère de pénétrer les vallées des pyramides et d'améliorer le contact. Les Figures 4 et 5 illustrent qu'à 4 000-5 000 tr/min, le film se conforme étroitement à la texture, éliminant les vides et maximisant la surface de jonction. Cependant, à 8 000 tr/min, le film devient trop mince, laissant des espaces qui réduisent la tension de circuit ouvert.

Les mesures de réflectance (Figure 6) confirment que la couche PEDOT:PSS améliore l'antireflet, particulièrement pour les longueurs d'onde 600-1 000 nm. La vitesse d'essorage optimale équilibre l'épaisseur du film (pour minimiser l'absorption parasite) et la couverture de jonction (pour maximiser la collecte de charge). La meilleure performance du dispositif — J_sc = 26,88 mA/cm², FF = 62,1 %, V_oc = 0,56 V, RCP = 11,07 % — a été atteinte avec un revêtement à 4 000 tr/min et des électrodes en nanofils d'argent.

Les courbes J-V (Figure 7) illustrent la tendance claire : à mesure que la vitesse d'essorage augmente de 1 000 à 5 000 tr/min, J_sc augmente grâce à une surface de jonction améliorée et une recombinaison réduite. Au-delà de 5 000 tr/min, la performance chute car le film devient trop mince.

Les électrodes en nanofils d'argent améliorent davantage les métriques du dispositif en abaissant la résistance série de 0,84 à 0,38 Ω·cm², augmentant le FF de 62,1 % à 72,2 % et augmentant V_oc de 0,51 à 0,56 V. Les AgNF fournissent également une diffusion de lumière plasmonique, améliorant l'absorption dans la gamme 400-700 nm et contribuant à une densité de courant de court-circuit plus élevée.

Conclusions

En ajoutant du DMSO et du FS31 au PEDOT:PSS, nous avons obtenu un film hautement conducteur, à faible angle de contact, qui se conforme bien au silicium micro-texturé. L'optimisation du taux d'essorage à 4 000 tr/min maximise la surface de jonction tout en maintenant une épaisseur de film appropriée, produisant un RCP de 11,07 % avec des électrodes en nanofils d'argent. Cette approche offre une voie simple et évolutive vers des cellules solaires hybrides à haut rendement et faible coût.