Caratterizzazione elettronica di Celle Solari ad alta efficienza di CdTe/CdS

Data inizio
28 febbraio 2005
Durata (mesi) 
12
Dipartimenti
Informatica
Responsabili (o referenti locali)
Romeo Alessandro

L’energia solare e’ una delle energie piu’ abbondanti, non inquinanti e rinnovabili sul nostro pianeta.
Il materiale ad oggi piu’ usato per le celle fotovoltaiche e’ il silicio cristallino (Si) e l’alto costo di produzione di queste celle e’ un ostacolo per applicazioni terrestri. Diversamente, le celle solari a film sottili utilizzano una quantita’ di materiale minima tanto che il costo del materiale attivo incide del 10% mentre il restante costo del materiale e’ dovuto al vetro. Inoltre, a differenza delle celle solari al silicio, la produzione è facilmente scalabile a livello industriale permettendo di avere un processo completamente in linea dove si introduce il vetro di supporto e si ottiene dall’altro capo della linea il modulo finito.
Ad oggi, il CdTe e’ uno dei piu’ importanti materiali per il fotovoltaico a film sottile per il suo band gap di 1.45 eV ottimo per la conversione energetica, per il suo alto coefficiente di assorbimento e la facilita’ di sviluppo di celle solari e moduli ad alta efficienza. Celle solari stabili e ad alta efficienza sono state realizzate e riportate in diversi laboratori come il laboratorio di film sottili del Politecnico di Zurigo del Prof. A.N. Tiwari (di cui il Dr. A. Romeo faceva parte e con cui attualmente collabora) o come il laboratorio di film sottili dell'Università di Parma del Prof. N. Romeo (con cui attualmente il Dr. A. Romeo collabora).
In ogni caso malgrado si siano ottenuti buoni risultati in termini di efficienza e stabilita’ dei dispositivi ancora poco e’ stato fatto per analizzare e capire le caratteristiche elettroniche e le relazioni che intercorrono tra il processo di realizzazione e le proprieta’ delle interfaccie tra i vari strati che compongono la cella.
Più in particolare la cella solare di CdTe/CdS e’ composta da quattro parti che sono: il contatto frontale (ossido trasparente semiconduttore, come ossido di indio drogato con stagno o ossido di zinco drogato con alluminio, e’ un semiconduttore degenere di tipo n), il materiale finestra (Solfuro di Cadmio: CdS, rappresenta la parte n della giunzione), il materiale assorbitore (Tellururo di cadmio: CdTe, che e’ la parte p della giunzione e assolve il compito di assorbire la luce), il contatto superiore (un metallo come bistrato di rame-oro oppure un semiconduttore con alta funzione lavoro come bistrato di tellururo di antimonio-molibdeno, ).
All’interfaccia tra uno strato e l’altro i livelli energetici delle bande di conduzione e di valenza possono formare delle barriere energetiche o degli spike, cosi’ come si possono creare all’interno della gap proibita dei livelli energetici (profondi o di superficie), che possono fungere da centri di ricombinazione.
Tutti questi fenomeni contribuiscono in maniera fondamentale alle proprieta’ elettriche ed alla efficienza finale dei materiali.
In questo progetto si intende quindi studiare queste caratteristiche elettriche e di preparare dei modelli delle bande energetiche delle celle solari di CdTe/CdS realizzate con processi di sputtering e close space sublimation all’universita’ di Parma e con processi di evaporazione ad alto vuoto al Politecnico di Zurigo (il Dr. Romeo fa parte del consorzio internazionale SOLARPACT sulle celle solari a film sottili di CdTe/CdS). Oltre ad avere la possibilita’ di disporre di dispositivi di eccellente fattura ed efficienza da analizzare si potra’ fare un confronto tra diverse tecnologie di realizzazione delle celle.
I metodi di analisi elettrica di queste celle saranno effettuati con analisi di caratteristiche corrente-tensione (I-V) e possibilmente capacita'-tensione (C-V), in buio e sotto luce (a diverse intensità di illuminazione) sia a temperatura ambiente sia a bassa temperatura (attraverso l’utilizzo di celle Peltier). Si intende quindi calcolare l'"ideality factor" della cella solare, le resistenze serie e parallelo, doping dei singoli strati, concentrazione dei portatori, resistività, estrapolare la presenza di eventuali centri di ricombinazione nella gap proibita oltre che, ovviamente, a misurare l’efficienza di conversione delle celle solari. Verranno messi in relazione le proprieta’ elettriche dei singoli strati del dispositivo con i metodi ed i parametri utilizzati per depositarli, in modo da inviduare e comprendere il legame tra alta efficienza e parametri di deposizione.
Verranno studiate anche le variazioni di performance delle celle solari dipendenti dalla illuminazione prolungata e a diverse temperature quali light soaking (fenomeno di riempimento delle trappole energetiche nella band gap) e degradazione. Verra' quindi analizzata la stabilità delle celle in condizioni standard e/o con condizione di test di vita accelerati.
I dati registrati con le misure, oltre ad essere analizzati da software ad hoc, verranno confrontati con un programma di simulazione (SCAPS 2.4), già a nostra disposizione, per verificare i modelli proposti alla interpretazione dei risultati delle misure.
Questo tipo di approccio permetterà di comprendere più profondamente i fenomeni elettronici specifici che avvengono in questo tipo di celle fotovoltaiche, permettendo di dare delle spiegazioni più scientifiche e meno empiriche delle maggiori efficienze sviluppate con alcuni particolari metodi di deposizione degli strati.

Inoltre si intende individuare le caratteristiche sopra descritte non solo per le celle CdTe/CdS convenzionali ma anche e sopratutto con materiali e processi innovativi quali le celle flessibili ( su supporto polimerico al posto del vetro) e le celle bifacciali (utilizzando un contatto superiore trasparente come ossido di stagno drogato con indio) (realizzate nel laboratorio del Prof. Tiwari e brevettate in collaborazione con il Dr. A. Romeo).
Si dispone gia’ di un misuratore I-V ad altissima precisione del tipo source meter Keithley 2420 C (che permette anche di avere misure di resistivita' ad alta precisione) e di un vecchio computer dedicato (che è necessario sostituire con un computer piu' aggiornato dotato di scheda per interfacciare i misuratori) ed e’ necessario implementare la strumentazione con un sistema di illuminazione per simulazione solare e con un sistema di controllo di temperatura, oltre che dotarsi di un misuratore di capacita'-tensione (C-V).


Enti finanziatori:

Ministero dell'Istruzione dell'Università e della Ricerca
Finanziamento: assegnato e gestito dal dipartimento
Programma: INTERNAZ - Progetti di Internazionalizzazione

Partecipanti al progetto

Collaboratori esterni

Ayodhya Tiwari
Politecnico Federale Svizzero di Zurigo Laboratory for Solid State Physics
Nicola Romeo
Universita' di Parma Dipartimento di Fisica Professore Ordinario
Aree di ricerca coinvolte dal progetto
Fisica sperimentale applicata
Condensed matter physics - Micro- and nano-scale materials
Pubblicazioni
Titolo Autori Anno
Comparison of CdTe thin film photovoltaic technologies Romeo A. 2008
Bifacial Configurations for CdTe solar cells A. Romeo; G. Khrypunov; S. Galassini; H. Zogg; A.N. Tiwari 2007
Comparison of CSS-CdTe and PVD-CdTe with Different Activation Processes A. Romeo; G. Khrypunov;S. Galassini; H. Zogg and A.N. Tiwari; N.Romeo; A.Bosio; S. Mazzamuto. 2007
High Efficiency CdTe/CdS Thin Film Solar Cells with a Novel Back Contact N. Romeo; A. Bosio; S. Mazzamuto; A. Romeo; L. Vaillant-Roca 2007
High Efficiency flexible CdTe solar cells on polymer substrates A.Romeo; G. Khrypunov; F. Kurdesau; M. Arnold; D.L. Baetzner; H. Zogg; A.N. Tiwari 2006
New Device Configurations for CdTe solar cells A.Romeo, G. Khrypunov, S.Galassini, H.Zogg, A.N. Tiwari 2006

Attività

Strutture