Celle a singola giunzione

Le celle fotovoltaiche in film sottile di silicio amorfo sono composte, nella loro struttura di base, da una sequenza di tre strati fondamentali (celle p-i-n). In questo caso la cella è deposta su un substrato di vetro coperto da un ossido (SnO₂) trasparente e conduttore,

genericamente indicato come TCO (Trasparent Conductive Oxide), che costituisce l'elettrodo frontale della cella, ossia quello attraverso il quale entra la luce solare.

Il primo strato amorfo, o strato finestra p, è realizzato con una lega di silicio-carbonio drogato con boro; l'aggiunta di carbonio serve ad aumentarne la trasparenza in quanto la luce assorbita in questo strato drogato non contribuisce alla fotocorrente della cella. Allo strato p segue lo strato attivo della cella (o strato intrinseco i) formato di solo silicio amorfo che provvede alla generazione della corrente sotto illuminamento.

Lo strato a drogaggio n è realizzato con silicio amorfo drogato fosforo. Un contatto metallico posteriore (Ag oppure Al), che chiude la struttura dopo la deposizione di un sottile strato di ZnO sullo strato n, funge sia da collettore di cariche che da riflettore per permettere di recuperare parte della radiazione solare non assorbita al primo passaggio nello strato attivo. Uno strato sottile di antiriflesso di fluoruro di magnesio (MgF₂), abbassando la riflettanza alla interfaccia aria/vetro, può ridurre le perdite di radiazione solare.

I film di TCO ricoprono un importante ruolo nell'ingegneria del dispositivo. In particolare, il sottile film di ZnO (spesso circa 100 nm) inserito tra l'ultimo strato di a-Si:H e l'elettrodo posteriore metallico può dar luogo ad un benefico disaccoppiamento ottico ed incrementare le proprietà di riflettanza dell'elettrodo posteriore, detto anche back reflector.

Riflessione di strutture vetro/a-Si:H ricoperte di metallo e ZnO/Me

Questo si traduce in un apprezzabile innalzamento della corrente di corto circuito del dispositivo Jsc (8-10% nel caso intrinseco di spessore di circa 5000 Å), soprattutto se in presenza anche di un efficace intrappolamento di luce nella regione spettrale della radiazione rossa, particolarmente marcato per celle fabbricate a partire da substrati di TCO ben testurizzati (alto valore di haze).

Caratteristiche J-V di celle depositate su substrati

con: (A) 10% e (B) 6% di haze

Nei casi in cui i diversi strati di silicio amorfo sono depositati in sequenza in reattori a singola camera da miscele di gas diverse è essenziale risolvere i problemi legati alla contaminazione incrociata. Una tecnica messa a punto presso i laboratori del C.R. di Portici consiste in una procedura di pulizia chimica, tra la deposizione dello strato p e la deposizione dello strato intrinseco, che prevede un "flussaggio" di gas NF₃ nel reattore. L’azione dell' NF₃ riduce l’effetto del boro dando luogo alla formazione di legami B-F e neutralizzando dangling bonds all'interfaccia p-i, con un miglioramento delle proprietà dell'interfaccia e di tutte le caratteristiche della cella solare.

Caratteristiche J-V di celle depositate:

(A) con e (B) senza NF₃flushing

Un trattamento termico dopo la deposizione del doppio strato ZnO/Ag migliora il contatto ohmico all'interfaccia n⁺/back reflector come conseguenza di una interdiffusione di atomi o della formazione di siliciuri; inoltre, il trattamento termico, migliora l'adesione dell'Ag e questo può dar luogo ad un migliore comportamento sia elettrico che ottico del back reflector ZnO/Ag, giustificando l'abbassamento della Rse e l'incremento del fill factor e della Jsc. I migliori dispositivi a singola giunzione realizzati nei laboratori ENEA utilizzando sistemi di deposizione a singola camera e a tre camere (ciascuna dedicata ad uno degli strati p,i ed n) hanno una efficienza rispettivamente del 10.3% e dell’11% su 1 cm².

Caratteristiche J-V di celle a singola giunzione con ZnO/Ag:

(B) prima e (A) dopo l'annealing termico

Celle tandem (a doppia giunzione)

Gli studi sulla degradazione dei dispositivi al silicio amorfo a singola giunzione hanno evidenziato che celle più sottili risentono molto limitatamente dell'effetto della degradazione in quanto il più efficace campo elettrico, che in esse si stabilisce, domina l'efficace raccolta delle cariche fotogenerate che non risentono dell'accresciuta densità dei difetti generati dalla luce. La cella tandem è costituita da due celle p-i-n sovrapposte, depositate quindi con una doppia sequenza standard p-i-n/p-i-n in cui i due strati attivi hanno spessori inferiori a quelli normalmente impiegati in celle p-i-n singole. Pertanto nella cella tandem sono ridotti gli effetti della degradazione in modo da ottenere buone efficienze stabilizzate.

La tipica struttura di un dispositivo tandem p-i-n/p-i-n è di seguito riportata:

vetro/SnO₂:F / p⁺/ i / n⁺/ p⁺/ i / n⁺/ ZnO/Ag

e gli spessori tipici dei vari strati sono rispettivamente :

1 mm/0.5mm /50 Å/ 330 Å / 250 Å/ 50 Å/ 3300 Å / 330 Å/ 0.1mm/0.6mm.

Nel caso in cui il materiale intrinseco è uguale (a-Si:H) per la top cell (pin più vicina al vetro) e per la bottom cell si parla di tandem ad omogiunzione, invece nel caso in cui si utilizzano materiali diversi per la bottom cell (come a-SiGe:H) per ottimizzare l’assorbimento della luce solare si parla di tandem vera e propria.