Cella fotovoltaica di seconda generazione (thin films solar cell)

Cell Configuration for CIGS-based Solar Cell – Substrate Configuration– Highest efficiency– Additional encapsulation layer and/or glass

Cell Configuration for CIGS-based Solar Cell – Superstrate

Configuration

2004_ProgPhotovolt_(A Romeo)

– No need for encapsulation layer– Interdiffusion of Cd into CIS (or CIGS), which can

be overcome by low temperature deposition process

– Low cost– Ready for multijunction

Schematic Structure of a CIGS-based Solar Cell

2005_SurfCoat_(W Diehl)

Theoretical and Actual Efficiencies (Total area) for the

Most CommonCu Chalcopyrite Solar Cells

Vantaggi:Ottimo coefficiente di assorbimento, energy gap ideale per l’assorbimento della luce visibile

Svantaggi:Il Cadmio è un materiale estremamente tossico e difficile da smaltire

SWIR: Shortwave Infrared

Multilayer

CdS thin films applied to solar cells can be grown by chemical vapour deposition (CVD), close space vapour transport (CSVT), sputtering (Sp), laser ablation (LA), chemical bath deposition (CBD) Etc. Physical properties of CdS thin films depend upon the growth technique, and the optimisation of the growth conditions for each technique.

Tecniche di deposizione

Evaporazione

Vapour transport depositionThe reactor consists of a standard six-way-cross stainless steel vacuum chamber. The entire system is evacuated using a mechanical pump that achieves a base pressure of approximately 10 mTorr. CdTe source material is held in a quartz tube heated by nichrome ribbon wrapped aroundthe source tube. Glass substrates coated with conducting tin oxide (1µm thick) and chemical bath deposited CdS (300 nm thick) were placed on aresistively heated susceptor located ~2 cm below the source. Nominal substrate temperatures (Tsub) rangedfrom 150ºC to 500ºC. The actual surface temperature of the film is slightly higher due to radiative heating bythe source

Sputtering

Il Plasma è un gas ionizzato, costituito da una collezione di elettroni e ioni, ma che globalmente è neutro (cioè la carica elettrica totale è nulla). Essendo però costituito di particelle cariche, i moti complessivi delle particelle del plasma sono in gran parte dovuti alle forze a lungo raggio che si vengono continuamente a creare, e che tendono a mantenere il plasma neutro; questo fatto stabilisce una differenza importante rispetto ai gasordinari, nei quali i moti delle particelle sono dovuti a forze che si estendono al massimo per qualche primo vicino. Il plasma è considerato come il quarto stato della materia.Il plasma si forma applicando una tensione elevata: in tal modo il gas neutro si ionizza per urto degli elettroni emessi dal catodo (l' elettrodo caricato negativamente). Se la frazione di gas ionizzato è sufficientemente grande, il gas neutro è diventato un plasma.

Confronto vaporizzazione/sputtering

Sputtering: cariche (accelerate) prodotte da plasma, tipicamente di gas inerte,prodotto in continua (DC) o con radiofrequenza (RF)

Principali svantaggi sputtering:- presenza di gas ambiente (per il plasma)

--> scarsa purezza- possibilità backscattering --> danneggiamento film

- scarsa efficacia atomizzazione--> scarso controllo crescita

Chemical Vapor Deposition

A number of forms of CVD are in wide use and are frequently referenced in the literature. These processes differ in the means by which chemical reactions are initiated (e.g., activation process) and process conditions.

• Classified by operating pressure – Atmospheric pressure CVD (APCVD) – Low-pressure CVD (LPCVD) - CVD – Ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD)

• Classified by physical characteristics of vapor – Aerosol assisted CVD (AACVD) – Direct liquid injection CVD (DLICVD)

• Plasma methods– Microwave plasma-assisted CVD (MPCVD) – Plasma-Enhanced CVD (PECVD) – Remote plasma-enhanced CVD (RPECVD)

• Atomic layer CVD (ALCVD)

• Hot wire CVD (HWCVD)• Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) • Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD)• Rapid thermal CVD (RTCVD) • Vapor phase epitaxy (VPE)

Reazioni in fase di vapore a partire da precursori di varia natura (solida, gassosa, liquida) usate per produrre i componenti elementari del film

Alcune reazioni per metalli e semiconduttori:

SiNi

Si

W

Mo

SiO2

SiO2

SiC

BN

Esempi di reazioni per CVD

AsP

GaAsGaPInPInAsGaAs

Si3N4

Anche Plasma-Enhanced CVD!!

Epitassia in fase vapore

Crescita epitassialeGeneralmente l’obiettivo è un film sottile (typ. max ~µm) cristallino(es. semiconduttori, alcuni metalli,...) o policristallino (es. alcuni ossidi, ceramiche,…)Crescita (etero)epitassiale: ordine piani reticolari lungo l’asse c (per cristalli, ordine anche nel piano ab, cioè tessitura biassiale)

BULK

FILM

metodi“chimici”

(fase liquida,reazioni,…)

metodi“fisici”

(vapore elementare)

Lattice matching

Growth defects

Matchingsubstrato(template)

Temperatura(event. annelaing)

Stickingcon subs.

Electron beam deposition

• Electron Beam Physical Vapor Deposition or EBPVD is a form of physical vapor deposition in which a target anode is bombarded with an electron beam given off by a charged tungsten filament under high vacuum. The electron beam causes atoms from the target to transform into the gaseous phase. These atoms then precipitate into solid form, coating everything in the vacuum chamber with a thin layer of the anode material.

Molecular Beam Epitaxy: MBE, MOMBE

Elementi chiave MBE:- alta pulizia (UHV, p ≤ 10-10mbar)

- basso growth rate in continua (~ 1 µm/h)- operazione con tutti i semiconduttori

elevato controllo spessori a livello atomicoalta purezza

fabbricazione eterostrutture

OrganoMetallics(MO-VPE or MOMBE) Forno effusivo (EPI):

alte temperature--> reattività materiali

--> pulizia

Ablazione e deposizione laser impulsata (PLAD) Interazione fascio laser impulsato/bulk solido

--> ablazione (vaporizzazione) localizzata materiale

Laser tipici nell’UV:- eccimeri (XeCl 308nm, KrF 248nm, ArF 193nm,…)- Nd-YAG 1064 nm (III o IV armonica nell’UV)- impulsi: ~ 10 ns (ma anche sub-ns)- fluenza: 1-5 J/cm2 (cioè centinaia di MW/cm2 )

Processo impulsato e tempi caratt.

Tecniche di deposizione

Liquid Phase Epitaxy (LPE) e Sol-Gel

Sol-Gel: deposizione da precursori sciolti in solventi gelificanti

(adatta anche per ceramiche)

LPE: deposizione da soluzione sopra-satura

Alcuni vantaggi dei metodi chimici:- economia- scalabilità- resa

Principali svantaggi dei metodi chimici:- scarso controllo di omogeneità chimica, srutturale e morfologica- applicabilità limitata ad alcune classi di materiali- necessità di vari passaggi intermedi e scarsa integrabilità

CBD

Typical CBD processes for sulfides employ an alkaline media containing the chalcogenide source, the metal ion and added base. A chelating agent is used to limit the hydrolysis of the metal ion and impart some stability to the bath, which would otherwise undergo rapid hydrolysis and precipitation. The technique under these conditions relies on the slow release of S2- ions into an alkaline solution in which the free metal ion is buffered at a low concentration.

Chemical bath deposition• Chemical bath deposition The technique of CBD involves

the controlled precipitation from solution of a compound on a suitable substrate. The technique offers many advantages over the more established vapor phase synthetic routes to semiconductor materials, such as CVD, MBE and spray pyrolysis. Factors such as control of film thickness and deposition rate by varying the solution pH, temperature and reagent concentration are allied with the ability of CBD to coat large areas, in a reproducible and low cost process. In addition, the homogeneity and stoichiometry of the product are maintained partly by the solubility product (Ksp) of the material in question.

Plasma-activated CIGS Absorber Preparation

2005_SurfCoat_(W Diehl)

Various Processes for Selenization of Precursor

Materials

2004_ProgPhotovolt_(A Romeo)

Baseline process sequence for manufacturing of CuInS2-based

modules.

2005_ThinSoldFilm_(R Klenk)

Materiali fotovoltaici del III-V gruppo

I semiconduttori del III-V gruppo possono essere formulati per assorbire numerose energie dello spettro solare in quanto Eg varia dai 0.16 eV ai 2.24 eV

Esempi: GaAs, GaSb, InP

Generatore termofotovoltaico (TPV)Il generatore TPV si basa sull’assorbimento selettivo del GaSb verso i raggi infrarossi

Il tubo ceramico è un bruciatore che diventa incandescente emettendo delle radiazioni infrarosse che vengono assorbite dalla cella di gaSb che assorbe la lunghessa d’oda di 1.8 micron (Eg 0.72 eV)

Le celle TPV che si basano su semiconduttori a band gaps (Eg) più bassa del GaSb sono più efficienti a temperature < 1000°C. Materiali alternativi al GaSb (Eg = 0.72 eV) sono quindi i semiconduttori a più basso Eg che presentano adeguate garatteristiche di resistenza al calore. Tra questi il Ge (Eg = 0.66 eV), InGaSb (Eg = 0.60 eV), InGaAsSb (Eg = 0.55 eV) eInAsSbP (Eg = 0.39 eV) sono alcuni esempi. Tra tutti le celle che si basano su InGaAsSb sembrano essere le piùpromettenti per generatori TPV a bassa temperatura sebbene esse siano ancora in uno stadio sperimentale

Generatore termofotovoltaico (TPV)

Celle solari di terza generazione (a “fotosintesi”)

Esempi: photoelectrochemical cells, polymer solar cells (quarta generazione), nanocrystal solar cells (a quantum dots), Dye-sensitized solar cells

Celle fotovoltaiche a film sottile nanocristallino “dye sensitized solar cell”.

Il loro principio di funzionamento è diverso dalle comuni celle fotovoltaiche: si basa sullo stesso meccanismo della fotosintesi clorofilliana.Il ruolo della clorofilla è svolto da complessi organici di metalli transizione quali Osmio e Rutenio. Questi assorbono la luce incidente e con l’energia raccoltaeccitano i loro elettroni. Il ruolo della membrana lipidica è svolto da una membrana ceramica diossido di titanio (TiO2).