Hybrid materials for Si surface passivation and battery applications

Det overordnede målet til prosjektet HyMatSiRen har vært å utvikle nye, polymerbaserte hybridmaterialer med uorganiske nanomaterialer. Materialene er utviklet for å lage bedre og billigere batterier og solceller I fremtiden. I prosjektet har vi 1: Funksjonalisert det valgte polymermaterialet (PEDOT:PSS) med dopede og udopede nanomaterialer. 2: Utviklet prosesser for deponering av slike materialer. 3: Forstått både hvordan de overordnede egenskapene til slike materialer bestemmes, samt hvordan de degraderer over tid. 4: Karakterisert grenseflaten mellom hybridmaterialene og silisiumsubstrater for solcellebruk. 5: Evaluert bruk av hybridmaterialene som anoder i Li-ionbatterier. Prosjektet HyMatSiRen var et samarbeid mellom forskningsgrupper i Norge (IFE), Tyrkia og Spania (UCM). Prosjektet har arrangert internasjonale workshops i både Norge, Tyrkia og Spania, og det har vært utstrakt utveksling av studenter, spesielt mellom IFE og UCM. I tillegg til prosjektpartnerne har forskningen i prosjektet blitt styrket gjennom et M.Sc. samarbeid mellom IFE og Karlstad Universitet. Prosesser for overflatepassivering av Si med de nye, PEDOT-baserte hybridmaterialene har blitt utviklet ved IFE. Vi har også vist at tilsats av nanopartikler i PEDOT:PSS kan påvirke disse egenskapene. Stabiliteten til overflatepassiveringen og dens påvirkning av miljøfaktorer er også studert. Mot innspurten i 2020 fortsatte prosjektet i høyt tempo. 2 M.Sc-studenter fra UiO tilbragte vårsemesteret ved IFE for å videreutvikle overflatepassiveringen for solceller, i tillegg til å forsøke å øke forståelsen av bade hvorfor overflatepassiveringen oppstår, hvordan den avhenger av typen og mengden nanopartikler tilsatt PEDOT-materialet, samt hvordan hybridmaterialene bør fremstilles i fremtiden for enda bedre ytelse. Den ene M.Sc. studenten fra UiO tilbrakte tid ved UCM og analyserte struktur og sammensetning til både nanomaterialene og de hybride PEDOT-materialene disse inngikk i. Den andre studenten lyktes i å fremstille hybridsolceller i IFEs solcellelaboratorium basert på prosessene fra prosjektet med relativt høye virkningsgrader. Forskere fra prosjektet har vært svært aktive. Prosjektet har bidratt til en rekke publikasjoner, blant annet hele 8 bidrag på den viktige Europeiske materialvitenskapskonferansen E-MRS i 2019, deriblant et invitert foredrag. Flere artikler er ferdigstilt i 2020, og noen arbeider er fortsatt under utarbeidelse. Forskere fra prosjektet bidratt til å arrangere to internasjonale konferanser. Hovedkonklusjonene fra HyMatSiRen er som følger: - PEDOT:PSS er et lovende solcellemateriale. Det muliggjør fremstilling av effektive solceller til lavere pris på grunn av dets egnede egenskaper som materiale for emitter og overflatepassivering. - Overflatepassiveringen fra PEDOT:PSS er ustabil og forverres over tid. Imidlertid stabiliseres den på et nytt nivå, som fortsatt er mer enn høyt nok for bruk i effektive solceller. - Funksjonalisering av PEDOT:PSS med nanopartikler kan brukes til å skreddersy de optiske og elektriske egenskapene til materialet for bruk i ulike applikasjoner.

A patent was by UCM and IFE was approved regarding the surface passivation, this secures rights to commercial exploitation of many of the important results. A simple process for surface passivation of silicon wafers using PEDOT:PSS has been developed. The stability of the surface passivation is still not resolved, but even after degradation substantial surface passivation remains. A method for fabricating samples for electrical characterization of hybrid device structures has been developed. Solar cells with high efficiency potential have been fabricated within the project. This opens up for development of new solar cell architectures incorporating PEDOT:PSS in combination with other, efficiency-enhancing processes, particularly rear side passivation and texturing. A good collaboration between IFE and UCM has been strengthened substantially in this project. The project has produced numerous scientific publications. The project has contributed to the training of PhD and M.Sc. students.

The project focuses on development of new hybrid materials incorporating inorganic nanomaterials into polymers addressing specific needs in photovoltaics (PV) and Li-ion batteries. On one hand, the unit cost of the industrial Si solar cells is limited by production steps like emitter formation using high temperature diffusion (900-1100 ºC) of phosphorus or boron within ~45 min, needed to form the pn-junction [1]. Recently, a new contender has emerged: the hybrid organic-Si solar cells, combining the advantages of the Si and polymer PV technologies. The possibility of deposition of electrically conducting polymer from solution by a coating process at room temperature opens up its use as a novel emitter layer thus avoiding the added energy costs of the conventional emitter production. However, Si surface passivation by the polymer is an important challenge to be enhanced by functionalization of the polymer. Within the collaborative preliminary work the consortium partners IFE and UCM have demonstrated that the Si/PEDOT:PSS interface can be improved by functionalizing PEDOT:PSS with inorganic oxide nanoparticles (np) and TRL of 3 has been achieved. On the other hand, during Li transport in Li-ion batteries, Si is subjected to lattice variation that causes the mechanical disintegration of Si grains and the surrounding composite electrode architecture leading to a rapid fade in the capacity and further loss of electrical contacts with the current collector or between the Si phase and the conductive matrix. Preliminary work performed by the consortium has shown that nanocomposites (ENWAIR) and hybrid materials (IFE and UCM) have the potential to solve these issues and TRL 3 is achieved. The aim of the proposal is functional materials development by hybridizing polymer with inorganic nanomaterials.