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Study of PEDOT:PSS/a-Si:H heterojunction for charge collection in hybrid thin film solar cells
ANTONIO DE JESUS OLIVARES-VARGAS
Ismael Cosme Bolaños
SVETLANA MANSUROVA SERGUEYEVNA
Acceso Abierto
Atribución-NoComercial-SinDerivadas
Hybrid solar cells
PEDOT:PSS
a-Si:H/PEDOT:PSS
Organic semiconductor
Hybrid devices
Silicon/Organic Heterojunctions (SOH) are an alternative to inorganic heterojunctions due to the use of organic materials which present solution-type processing that allows deposition at room temperature and atmospheric pressure. Recently, organic materials have demonstrated to be suitable to replace the common n-type and p-type inorganic materials to simplify the formation of p-i-n-junctions in solar cells. Some preliminary attempts to use organic materials in hybrid n-i and i-p heterojunctions with a-Si:H have been reported in the literature. However, performance characteristics are limited (Jsc < 4 mA/cm²) by the characteristics of the polymers and their poor optimization for the use in a hybrid heterojunction interface with a-Si:H. In this work, we use the poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) material to form a hybrid heterojunction with a-Si:H for high charge carrier collection at the frontal interface of solar cells. The deposition of a-Si:H films by PECVD at low temperatures and at the low-pressure regime was explored to study the compatibility with organic materials. On the other hand, different posttreatment techniques were proposed to enhance the electrical and morphological properties of PEDOT:PSS films to control and improve their characteristics. These results were used to form a hybrid heterojunction as a frontal interface in hybrid solar cells. The best performance characteristics (Jsc= 17.8 mA/cm², Voc= 840 mV, FF= 50.4 % and PCE= 7.5 %) were obtained using a PEDOT:PSS/buffer/a-Si:H heterojunction in the hybrid structure fabricated with a PEDOT:PSS layer treated with the dip technique. This heterojunction demonstrated high transmittance, reduction of electron diffusion, and enhancement of the internal electric field. Although the structure was a planar superstrate-type configuration and the PEDOT:PSS layer was exposed to a glow discharge, the hybrid solar cell reached high efficiency compared to that in similar hybrid solar cells with substrate-type configuration and that in textured well-optimized amorphous silicon solar cells fabricated at low temperature. Thus, we demonstrate that PEDOT:PSS is fully tailored and compatible material with plasma processes and can be a substitute for inorganic p-type layers in inorganic solar cells and related devices with an improvement of performance and simplification of the fabrication process.
Las heterouniones silicio/orgánico (SOH) son una alternativa a las heterouniones inorgánicas, debido al uso de materiales orgánicos que presentan un procesamiento de tipo solución que permite su depósito a temperatura ambiente y presión atmosférica. Recientemente, los materiales orgánicos han demostrado ser adecuados para reemplazar los materiales inorgánicos comunes tipo n y tipo p para simplificar la formación de uniones p-i-n en celdas solares. En literatura se han reportado algunos resultados preliminares al usar materiales orgánicos en heterouniones híbridas n-i e i-p con silicio amorfo. Sin embargo, las características de rendimiento están limitadas (Jsc < 4 mA/cm2) por las características de los polímeros y su pobre optimización para el uso en una interfaz de heterounión híbrida con silicio amorfo. En este trabajo, utilizamos el material poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estirenosulfonato) (PEDOT:PSS) para formar una heterounión híbrida con a-Si:H para la colección de portadores de carga en la interfaz frontal de celdas solares. El depósito de películas de a-Si:H por PECVD, a bajas temperaturas y en el régimen de baja presión, se exploró para estudiar la compatibilidad con materiales orgánicos. Por otro lado, se propusieron diferentes técnicas de tratamiento para mejorar las propiedades eléctricas y morfológicas de las películas de PEDOT:PSS. Estos resultados se usaron para formar una heterounión híbrida como interfaz frontal en celdas solares híbridas. Las mejores características de rendimiento (Jsc = 17.8 mA/cm2, Voc= 840 mV, FF= 50.4 % y PCE= 7.5 %) se obtuvieron usando una heterounión PEDOT:PSS/buffer/a-Si:H en una estructura híbrida fabricada con una película de PEDOT:PSS tratada con la técnica de inmersión en IPA. Esta heterounión demostró una alta transmitancia, reducción de la difusión de electrones y mejora del campo eléctrico interno. Aunque la estructura era una configuración de tipo p-i-n y la película de PEDOT:PSS estuvo expuesta a un plasma, la celda solar híbrida alcanzó una alta eficiencia en comparación con las celdas solares híbridas similares con configuración del mismo tipo y las celdas solares de silicio amorfo fabricadas a baja temperatura, texturizadas y optimizadas.
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica.
2020-02
Tesis de doctorado
Inglés
Estudiantes
Investigadores
Público en general
Olivares Vargas, A. J., (2020), Study of PEDOT:PSS/a-Si:H heterojunction for charge collection in hybrid thin film solar cells, Tesis de Doctorado, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica.
ÓPTICA
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