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IT201700004876A1 - Apparato a cella solare e relativo metodo di produzione per celle singole, tandem e sistemi a eterogiunzione - Google Patents

Apparato a cella solare e relativo metodo di produzione per celle singole, tandem e sistemi a eterogiunzione

Info

Publication number
IT201700004876A1
IT201700004876A1 IT102017000004876A IT201700004876A IT201700004876A1 IT 201700004876 A1 IT201700004876 A1 IT 201700004876A1 IT 102017000004876 A IT102017000004876 A IT 102017000004876A IT 201700004876 A IT201700004876 A IT 201700004876A IT 201700004876 A1 IT201700004876 A1 IT 201700004876A1
Authority
IT
Italy
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type
layer
solar cell
cell apparatus
type layer
Prior art date
Application number
IT102017000004876A
Other languages
English (en)
Inventor
Anna Battaglia
Andrea Canino
Giuseppe Condorelli
Cosimo Gerardi
Original Assignee
Enel Green Power Spa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Enel Green Power Spa filed Critical Enel Green Power Spa
Priority to IT102017000004876A priority Critical patent/IT201700004876A1/it
Priority to PCT/EP2018/051131 priority patent/WO2018134269A1/en
Priority to EP18700382.7A priority patent/EP3571723B1/en
Priority to CN201880013678.XA priority patent/CN110383496B/zh
Priority to US16/478,847 priority patent/US11670729B2/en
Priority to JP2019559394A priority patent/JP2020505786A/ja
Publication of IT201700004876A1 publication Critical patent/IT201700004876A1/it
Priority to JP2024084110A priority patent/JP2024109826A/ja

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Description

APPARATO A CELLE SOLARI E METODO PER FORMARE LO STESSO PER SISTEMI SINGOLI, TANDEM E A ETEROGIUNZIONE
Campo dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce a un apparato a celle solari del tipo comprendente una struttura p-i-n drogata e un metodo per formarlo.
Stato dell’arte dell’invenzione
Gli apparati a celle solari sono largamente diffusi e utilizzati in tutto il mondo come dispositivi elettrici in grado di convertire direttamente l’energia della luce in elettricità mediante l’effetto fotovoltaico. Le strutture p-i-n basate su semiconduttori di silicio drogato e ossidi conduttivi trasparenti (Transparent Conductive Oxide TCO) sono componenti tipici e fondamentali di questi dispositivi che comprendono una regione semiconduttrice a base di silicio tipo p (ad esempio strato tipo p), una regione semiconduttrice a base di silicio tipo n (ad esempio strato tipo n) e una regione semiconduttrice a base di un silicio intrinseco “vicino”, leggermente drogato (ad esempio strato tipo i). Il TCO è estremamente importate come contatto frontale per le celle solari a film sottile, e le sue proprietà ottiche ed elettriche determinano il corretto comportamento del dispositivo. L’alta trasmittanza, la bassa resistività e l’alta opacità sono tipicamente caratteristiche ricercate per migliorare le prestazioni degli apparati a celle solari. Inoltre, il rendimento delle celle solari a base di silicio è fortemente sensibile all’ossido conduttivo trasparente TCO utilizzato come contatto frontale trasparente: le celle solari p-i-n sono tipicamente progettate in una certa configurazione, dove il silicio tipo p è in contatto elettrico diretto con il TCO frontale.
Inoltre, le celle solari in silicio a film sottile si basano tipicamente su materiali con struttura a base di silicio amorfo idrogenato (di seguito indicato a-Si-H) e con struttura a base di silicio microcristallino idrogenato (di seguito indicato μc-Si:H). Le celle solari vengono realizzate utilizzando giunzioni singole di strutture in a-Si:H o strutture in μc-Si:H p-i-n o per mezzo di celle solari tandem costituite da una cella superiore con strutture in a-Si:H p-i-n impilata con una cella inferiore con struttura in μc-Si:H p-i-n. Da un punto di vista elettrico, le celle superiori e le celle inferiori vengono impilate in serie. La cella superiore ha la risposta migliore nella gamma spettrale blu-verde, mentre la cella inferiore ha la risposta ottimizzata nella gamma spettrale rossa. I principali elementi droganti utilizzati nelle strutture in a-Si:H e nelle strutture in μc-Si:H sono gli stessi del silicio cristallino: boro B viene principalmente utilizzato nel drogaggio del materiale tipo p e il fosforo P viene principalmente utilizzato nel drogaggio del materiale tipo n.
Le strutture drogate vengono tipicamente prodotte nella forma di strati sottili, realizzati per mezzo di apparati a film sottile comuni, come deposizione chimica o fisica da vapore.
È noto che gli strati drogati possono produrre due effetti diversi e interessanti nelle strutture di celle solari in a-Si:H e in μc-Si:H.
Per prima cosa essi formano un campo elettrico interno attraverso lo strato attivo intrinseco di a-Si:H. Il campo elettrico è abbastanza alto da garantire che i portatori fotogenerati vengano raccolti nello strato intrinseco di a-Si:H. La forza del campo elettrico dipende dal livello di drogaggio negli strati drogati e dallo spessore dello strato intrinseco.
Secondo, essi stabiliscono contatti elettrici ohmici a bassa perdita tra le strutture in a-Si:H o in μc-Si:H e gli elettrodi esterni. In una valutazione pratica della possibilità di messa a punto del processo di produzione, la modifica nella conducibilità delle strutture in a-Si:H e in μc-Si:H può essere ottenuta e controllata durante le fasi del processo di deposizione mescolando il gas apportatore di silicio, il silano (SiH4), con fosfina (PH3) o diborano (B2H6) durante la deposizione. La conducibilità a temperatura ambiente della struttura in a-Si:H come funzione di frazione di gas droganti in una miscela con silano è illustrata nella figura 1 come è stata divulgata nell’articolo intitolato “Doping and the Fermi Energy in Amorphous Silicon” pubblicato da R.A. Street, Physics Review Letter 49, p.1187, 1982.
La conducibilità delle strutture in a-Si:H potrebbe venire variata di più di un fattore 10. Pertanto, l’energia di attivazione diminuisce da 0,7 – 0,8 eV nel materiale intrinseco a circa 0,15 eV nel materiale drogato con fosforo e a circa 0,3 eV nel materiale drogato con boro.
È noto che la rete casuale della struttura in a-Si:H può incorporare atomi di impurità, come fosforo e boro, con numero di coordinazione che corrisponde alla configurazione legante con l’energia più bassa. Questa caratteristica della rete casuale del a-Si:H contrasta con la struttura cristallina del μc-Si:H, dove, a causa dell’ordine a lungo raggio, gli atomi di impurità sono costretti ad adottare la coordinazione degli atomi ospitanti. L’efficacia drogante nel a-Si:H, che viene definita come la frazione di atomi droganti con coordinazione quadrupla, è piuttosto bassa. Rispetto al silicio monocristallino, dove l’efficacia drogante a temperatura ambiente è quasi unità, nel a-Si:H è nell’ordine di 10<-2>- 10<-3>. Pertanto, per ottenere materiali con alta conducibilità devono venire introdotte concentrazioni relativamente alte di atomi di fosforo. Nel caso del drogaggio n nelle strutture in a-Si:H, la formazione dei donatori non compensati nel caso degli atomi di fosforo è il principale meccanismo di drogaggio ed è noto come il modello di autocompensazione (come descritto nell’articolo “Doping and the Fermi Energy in Amorphous Silicon” citato in precedenza). Il risultato più importante di questo modello è che il drogaggio di una struttura in a-Si:H porta inevitabilmente alla creazione di legami pendenti. Infatti, la struttura in a-Si:H intrinseca drogata ha una densità di difetti di due o tre ordini di grandezza maggiore rispetto alla struttura in a-Si:H intrinseca. Sebbene il μc-Si:H abbia migliori caratteristiche di conduzione rispetto al materiale a-Si:H, è notevolmente meno performante rispetto al silicio cristallino (c-Si) e al silicio policristallino. Questo perché è tipicamente un materiale misto amorfo-microcristallino (che definisce un’eterofase cristallografica), composto da cristalliti di silicio inglobati in strutture in a-Si:H. A causa della presenza di strutture in a-Si:H nella matrice, l’efficacia drogante della struttura in μc-Si:H non può venire controllata in modo altrettanto preciso quanto nel Si cristallino o nel Si policristallino. In altre parole, neanche per la struttura in μc-Si:H è possibile drogare lo strato tipo n in modo completamente efficace, e l’aumento della concentrazione di fosforo nella struttura eterogenea in μc-Si:H induce l’amorfizzazione dell’architettura reticolare della struttura così come un miglioramento della densità dei difetti che aumenta l’intrappolamento dei portatori di carica.
Il modello di autocompensazione definisce poi svantaggi evidenti e tipici in relazione alle strutture in μc-Si:H n-drogate con fosforo: infatti, questo tipo particolare di drogaggio n riduce in misura significativa il rendimento delle strutture in μc-Si:H come conseguenza di una deleteria amorfizzazione della struttura.
Nell’articolo “Passivation of oxygen-related donors in microcrystalline silicon by low temperature deposition” di Nasuno et al., Appl.Phys.Lett., Vol.78, N.16, 16 aprile 2001, viene descritto un processo di deposizione rf potenziata al plasma a bassa temperatura per celle solari a base di silicio microcristallino idrogenato (μc-Si:H). In particolare, il documento tratta di perdite da deviazioni (shunt leakage) che derivano da donatori correlati all’ossigeno che vengono passivati a bassa temperatura mediante passivazione dell’idrogeno.
Il drogaggio con ossigeno e la passivazione vengono prodotti e analizzati nello strato tipo i compreso in una struttura p-i-n che ha uno strato tipo n amorfo.
In questo documento, nessun atomo di fosforo viene descritto come atomo donatore co-depositato con atomi di ossigeno, non risolvendo perciò i problemi dovuti all’amorfizzazione della struttura microcristallina e, quindi, la riduzione del rendimento: infatti, la cella solare proposta ha un rendimento dell’8,9%, mentre la soluzione proposta mostra un rendimento migliore del 14,7%.
Sommario dell’invenzione
Lo scopo dell’invenzione è fornire un apparato a celle solari e un metodo per formarlo che supera gli svantaggi degli apparati a celle solari noti.
A questo scopo, un ulteriore oggetto dell’invenzione è fornire un apparato a celle solari nel quale un effetto drogante di tipo n viene prodotto per aumentare i donatori attivi nella struttura senza indurre amorfizzazione eccessiva ed estesa della struttura.
Un altro oggetto dell’invenzione è ridurre l’indice di rifrazione compreso in uno strato n-drogato dell’apparato a celle solari.
Un altro oggetto è migliorare la riflessione della luce all’interno dell’apparato a celle solari, aumentando così la densità di corrente ci cortocircuito (Jsc) e il rendimento del sistema.
Un altro oggetto dell’invenzione è realizzare uno spessore ottimale dello strato tipo n delle strutture in μc-Si:H n-drogato per ottenere un adeguato equilibrio tra trasparenza e conducibilità dell’apparato a celle solari. Ancora un altro oggetto è fornire un metodo per formare un apparato a celle solari che sia adatto per applicazioni di moduli fotovoltaici su grandi aree.
La presente invenzione ottiene questi e altri scopi mediante un apparato a celle solari secondo la rivendicazione 1 e mediante un metodo per formare un apparato a celle solari secondo la rivendicazione 9.
Secondo una forma preferita di realizzazione, l’invenzione permette la produzione di un apparato a celle solari tandem comprendente una struttura di silicio amorfo a-p-i-n-Si:H e una struttura di silicio microcristallino μc-p-i-n-Si:H comprendente un μc-Si:H ndrogato con rendimento complessivo migliorato.
Caratteristiche preferite vengono definite nelle rivendicazioni dipendenti.
Breve descrizione dei disegni
Queste e altre caratteristiche e vantaggi dell’invenzione diverranno più evidenti dalla seguente descrizione di alcune forme di realizzazione esemplificative e non limitative, da leggersi con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la figura 1 è una vista illustrativa e in sezione trasversale parziale di un apparato a celle solari secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 è una vista illustrativa e in sezione trasversale parziale di una forma alternativa di realizzazione in una configurazione tandem dell’apparato a celle solari della presente invenzione;
- la figura 3 è un diagramma che traccia l’indice di rifrazione e la conducibilità come una funzione del rapporto CO2/SiH4di una struttura p-i-n in μc-Si:H comprendente uno strato tipo n di μc-Si:H O-drogato;
- la figura 4 mostra l’analisi mediante backscattering di Rutherford (Rutherford backscattering RBS) di uno strato tipo n di μc-Si:H O-drogato utilizzato in una cella solare in μc-Si:H secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 5 confronta due analisi mediante spettrometria di massa di ioni secondari (Secondary Ion Mass Spectrometry SIMS) rispettivamente di uno strato tipo n di μc-Si:H non drogato e di uno strato tipo n di μc-Si:H O-drogato utilizzati in una cella solare in μcSi:H secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 6 è un diagramma di flusso di un metodo di formazione di un apparato a celle solari mediante deposizione chimica da vapore (Chemical Vapour Deposition CVD) secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 7 è un diagramma di flusso del metodo di formazione di un apparato a celle solari tandem mediante deposizione chimica da vapore (CVD) secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 8 è una vista schematica di un’attrezzatura deposizione chimica da vapore (CVD);
- la figura 9 è un grafico che traccia rendimento contro lunghezza d’onda per uno strato tipo n di μc-Si:H non drogato e uno strato tipo n di μc-Si:H O-drogato;
- la figura 10 è una vista illustrativa e in sezione trasversale parziale di una forma alternativa di realizzazione in una configurazione di celle solari a eterogiunzione dell’apparato a celle solari della presente invenzione.
Descrizione dettagliata dell’invenzione
Facendo inizialmente riferimento alla figura 1, un apparato a celle solari secondo la presente invenzione viene rappresentato globalmente con il numero di riferimento 100.
Secondo una forma preferita di realizzazione, l’apparato a celle solari 100 comprende un substrato 101, prodotto preferibilmente con vetro, materiali ceramici, metallici, polimerici o simili.
Preferibilmente, il substrato 101 identifica una prima estremità 10 dell’apparato a celle solari 100 sopra il quale vengono realizzati altri strati.
Come verrà descritto meglio in seguito, il substrato 101 viene preferibilmente trattato mediante metodi di deposizione chimica da vapore (CVD). Secondo una forma di realizzazione, l’apparato a celle solari 100 comprende uno strato tipo n di ossido conduttivo trasparente (Transparent Conductive Oxide: TCO) 102.
Preferibilmente, l’apparato a celle solari 100 comprende una struttura p-i-n 120.
Secondo una forma di realizzazione, la struttura p-i-n 120 comprende uno strato tipo p 103, uno strato tipo i 104 e uno strato tipo n 105.
Preferibilmente, uno strato posteriore in metallo 106 è compreso nell’apparato a celle solari 100, realizzato sullo strato tipo n 105 e che definisce una seconda estremità 20 dell’apparato a celle solari 100 che è opposta alla prima estremità 10.
Secondo una forma di realizzazione, lo strato tipo n di ossido conduttivo trasparente (TCO) 102 e la struttura pi-n 120 vengono depositati in sequenza sopra il substrato 101.
Secondo una forma di realizzazione, lo strato tipo n 105 comprende donatori tipo n 115.
Secondo una forma di realizzazione, i donatori tipo n formano un sistema di donatori tipo n che è una rete di atomi donatori o un aggregato di atomi donatori o uno strato di atomi donatori.
Descrizioni di possibili forme di realizzazione di un sistema di donatori vengono riportate nel testo scientifico intitolato “Physics and Applications of CVD Diamond” di Satoshi Koizumi, Christoph Nebel, Milos Nesladek.
Preferibilmente, i donatori tipo n 115 includono atomi di fosforo.
Secondo una forma di realizzazione, la composizione atomica dei donatori tipo n dello strato tipo n 105, 115 comprende atomi di ossigeno a una concentrazione atomica compresa tra il 5% e il 25% del totale.
Grazie a questa soluzione tecnica, atomi di ossigeno con tripla coordinazione vengono introdotti nello strato tipo n 105. Va assolutamente evitata la presenza o la diffusione degli atomi di ossigeno con tripla coordinazione nello strato tipo i 104 perché questa ridurrebbe il rendimento dell’apparato a celle solari. Come effetto tecnico migliorativo, un’incorporazione controllata dell’ossigeno nei donatori tipo n 115 e, quindi, nello strato tipo n 105, assieme alla presenza di atomi di fosforo riduce l’amorfizzazione e la densità media di difetti indotta dalla presenza di atomi di fosforo nello strato tipo n 105, aumentando così il drogaggio di tipo n efficace.
Preferibilmente, lo strato tipo n 105 ha una struttura a fase microcristallina o nanocristallina.
Secondo una forma di realizzazione, la struttura p-i-n 120, compresa nell’apparato a celle solari 100, ha una struttura a fase microcristallina o nanocristallina (indicate di seguito rispettivamente μc-Si, nc-Si).
Inoltre, lo strato tipo p 103 e/o lo strato tipo i 104 possono avere una struttura a fase amorfa o mista (fase amorfa-microcristallina) (indicate di seguito rispettivamente a-Si and m-Si).
Inoltre, la formazione di legami silicio-ossigeno Si-O nella struttura microcristallina o nanocristallina (μc-Si e nc-Si) porta a un aumento della banda proibita complessiva dello strato tipo n 105, aumentando così la barriera ai fori foto-generati che vengono di conseguenza riflessi all’interfaccia tra lo strato tipo i 104 e lo strato tipo n 105, migliorando in questo modo la raccolta dei portatori in corrispondenza del lato con la giunzione allo strato tipo p 103.
Preferibilmente, la struttura p-i-n 120 e, in particolare, lo strato tipo n 105 comprendono atomi di idrogeno.
In una forma di realizzazione, la concentrazione di idrogeno è tra il 7% e il 25% e la concentrazione di silicio è tra il 49% e il 67% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n 105.
Preferibilmente, la struttura p-i-n 120, compresa nell’apparato a celle solari 100, ha una struttura idrogenata di silicio microcristallino o nanocristallino (indicata come μc-Si:H e nc-Si:H).
Si presume che una rete casuale continua amorfa con solo ordine a breve raggio di una struttura p-i-n idrogenata in silicio (a-Si:H) possa incorporare atomi di impurità, come fosforo P o boro B, con coordinazione che corrisponde alla configurazione legante con l’energia più bassa. Questa proprietà della rete casuale continua è diversa da quella della struttura cristallina dove, a causa dell’ordine a lungo raggio, gli atomi di impurità sono costretti ad adottare la coordinazione quadrupla degli atomi ospitanti (in questo caso silicio Si).
L’efficacia di drogaggio nella struttura idrogenata di silicio amorfo a-Si:H, che viene definita come la frazione di atomi droganti con coordinazione quadrupla rispetto alla totalità degli atomi nella struttura, è piuttosto bassa: è nell’ordine di 10<-2>- 10<-3>nel a-Si:H (mentre, nel silicio monocristallino, l’efficacia drogante a temperatura ambiente è quasi un’unità).
Pertanto, concentrazioni relativamente alte di atomi di fosforo devono venire introdotte nelle strutture idrogenate in silicio amorfo per ottenere abbastanza atomi che abbiano un materiale efficace di coordinazione quadrupla che mostra alta conducibilità.
Nel caso di drogaggio tipo n in a-Si:H, la formazione di donatori non-compensati nel caso degli atomi di fosforo è il principale meccanismo drogante ed è noto come il modello di autocompensazione. Il più importante risultato di questo modello è che il drogaggio di a-Si:H porta inevitabilmente alla creazione di legami pendenti. Strutture in a-Si:H drogato hanno densità di difetti di due o tre ordini di grandezza maggiori rispetto a quelle delle strutture in a-Si:H intrinseche non drogate.
Pur avendo μc-Si:H e nc-Si:H migliori caratteristiche conduttive rispetto al materiale a-Si:H, è notevolmente meno performante rispetto al silicio cristallino (c-Si) e al silicio policristallino (polyc-Si). Questo perché i μc-Si:H e i nc-Si:H sono un materiale misto amorfocristallino (chiamato comunemente “eterofase”), costituito da cristalliti di silicio inglobati in strutture di a-Si:H. A causa della presenza di a-Si:H nella matrice, l’efficacia drogante in μc-Si:H e nc-Si:H non può venire controllata altrettanto bene quanto in c-Si o in poly-Si. Questo implica che per μc-Si:H e nc-Si:H non sia possibile drogare lo strato tipo n in modo efficace e aumentare la concentrazione di fosforo senza indurre ulteriore amorfizzazione dell’architettura cristallina e senza aumentare così la densità dei difetti che migliora l’intrappolamento dei portatori di carica, riducendo così il rendimento delle celle solari.
Preferibilmente, i donatori tipo n 115 contengono atomi di fosforo a una concentrazione atomica compresa tra l’1% e il 4% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n 105.
Questa soluzione tecnica garantisce il vantaggio tecnico di produrre donatori tipo n 115 efficaci, compresi nello strato tipo n 105, senza ottenere un’amorfizzazione controproducente, indotta dall’eccessiva concentrazione di atomi di fosforo.
Secondo una forma di realizzazione, i donatori tipo n 115 contengono atomi di ossigeno a una concentrazione atomica compresa tra il 7% e il 12% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n 105.
Questa configurazione porta il vantaggio tecnico di ottenere un equilibrio efficace tra trasparenza alla radiazione e conducibilità delle strutture comprese nella struttura p-i-n 120 e, quindi nell’apparato a celle solari 100: infatti, i donatori tipo n 115 così prodotti esaltano il rendimento di conversione delle celle agendo principalmente sulla migliorata gestione della luce e raccolta di fori foto-generati.
Inoltre, l’indice di rifrazione dello strato μc-Si:H e nc-Si:H n-drogato è sceso al di sotto del valore convenzionale dello strato tipo n μc-Si:H, che è tipicamente attorno a 3,5, raggiungendo valori tra 2 e 3. Di conseguenza, la gestione della luce sullo strato posteriore di metallo 106 della cella solare, che funziona come un elettrodo, viene ottimizzata perché più fotoni vengono riflessi negli strati intrinsechi i-μc-Si:H or i-nc-Si:H che assorbono le radiazioni.
La figura 3 traccia il confronto tra indice di rifrazione e conducibilità come una funzione del rapporto CO2/SiH4che mostra il raggiungimento di un compromesso equilibrato tra conducibilità e un indice di rifrazione che è molto inferiore a 3,5: come descritto in precedenza, questa condizione permette di migliorare la riflessione della luce sullo strato posteriore di metallo 106 della cella solare.
Grazie a queste soluzioni tecniche è possibile ottenere indici rifrattivi inferiori al valore 3 (soprattutto a 800nm, che è il valore vicino alla risposta massima per l’apparato a celle solari 100 in μc-Si:H microcristallino), assieme a conducibilità superiori a 1S/cm.
Inoltre, questi effetti tecnici sono stati valutati grazie ad analisi composizionale e strutturale descritta dettagliatamente di seguito.
Il contenuto di ossigeno efficace ottenuto nello strato di tipo n 105 prodotto secondo l’invenzione proposta è stato valutato mediante analisi RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy). La RBS è stata eseguita utilizzando fascio di ioni di He a 2 MeV, theta 0, phi 15, conv 2,37 keV/ch 65 keV, omega 0,93 mstr e asse di canalizzazione <100>. Come esempio, la figura 4 mostra un tracciato di RBS per un μc-Si:H n-drogato con ossigeno: dal segnale in condizioni di canalizzazione si può derivare che la concentrazione dell’area dell’ossigeno (dose RBS) è di circa 1,.2*10<16>cm<-2>. Come riferimento, una concentrazione tipica dell’area dell’ossigeno (dose RBS) di uno strato di SiO2dello stesso spessore ha una concentrazione dell’area dell’ossigeno di 1,3*10<17>cm<-2>. Nella figura 4 si mostra un μc-Si:H n-drogato, arricchito di ossigeno come secondo il tracciato RBS secondo la presente invenzione.
Pertanto, la composizione atomica del μc-Si:H dello strato tipo n 105 (comprendente i donatori tipo n 115 con atomi di ossigeno droganti) è stata calcolata tenendo anche conto del contenuto atomico di idrogeno, e corrisponde a: Si 67% O 7%, H 25%, P1%.
Inoltre, come illustrato nella figura 5, per valutare e confrontare sia il contenuto di ossigeno sia il contenuto di idrogeno nel μc-Si:H dello strato tipo n 105 comprendente i donatori tipo n 115 con atomi di ossigeno droganti, è stata utilizzata l’analisi mediante spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo (Time of Flight - Secondary Ion Mass Spectrometry ToF-SIMS).
Inoltre, per una chiara valutazione, la figura 5 mostra il confronto tra i contenuti di ossigeno e di idrogeno nel convenzionale silicio microcristallino idrogenato μc-Si:H dello strato tipo n 105, drogato con fosforo (traccia a sinistra) e nello strato di silicio microcristallino di tipo n ricco di ossigeno μc-Si:H dello strato tipo n 105.
In questo caso, entrambi i campioni hanno uno spessore di circa 100 nm. È evidente che il segnale dell’ossigeno mostra un picco in corrispondenza della superficie degli strati collegata alla formazione di ossidazione superficiale (ossido nativo). Nel caso dello strato tipo n di silicio microcristallino convenzionale, il segnale O atomico diminuisce dalla superficie verso la massa, dove raggiunge un valore stabile. Nel caso dello strato tipo n di silicio microcristallino ricco di ossigeno, il segnale di massa è più di 5 volte superiore rispetto allo strato di μc-Si:H convenzionale. Il calo del segnale dell’ossigeno O nello strato di silicio microcristallino convenzionale è un artefatto della tecnica ToF-SIMS dovuto al fatto che il fascio di sputtering utilizzato per il profilo di profondità induce un effetto di knockon collisionale sugli atomi di ossigeno presenti nello strato superficiale ossidato (ossido nativo) Le analisi RBS non mostrano presenza significativa di ossigeno nello strato di silicio microcristallino convenzionale.
La concentrazione di idrogeno è quasi la stessa, nella risoluzione della tecnica analitica, sia nel μc-Si:H di tipo n convenzionale sia nel silicio microcristallino di tipo n ricco di ossigeno.
Preferibilmente, lo strato tipo n 105 ha uno spessore compreso tra 20 e 60 nm.
Questo ordine di spessore è stato studiato e si è dimostrato essere una soluzione dimensionale efficace e funzionale per ottenere ed esaltare l’equilibrio descritto in precedenza tra trasparenza alla radiazione e conducibilità della struttura ottenuta come una funzione della concentrazione di atomi di ossigeno assieme agli atomi di fosforo nello strato tipo n 105 e nella struttura di μc-Si:H o nc-Si:H della struttura p-i-n 120. Secondo una forma di realizzazione, lo strato tipo n 105 ha uno spessore di 40 nm.
Questo valore dello spessore si è dimostrato essere una soluzione ottimale per la trasparenza, la conducibilità, la stabilità e le condizioni del processo di deposizione. Secondo una forma di realizzazione, l’apparato a celle solari 100 comprende una struttura p-i-n amorfa 201 (a-pi-n) disposta sopra o sotto della struttura p-i-n 120. Questo tipo di configurazione dell’apparato a celle solari 100 viene perciò chiamato apparato a celle solari tandem 200 e un esempio non esaustivo di tutte le possibili forme di realizzazione è rappresentato nella figura 2.
Preferibilmente, l’apparato a celle solari tandem 200 comprende un substrato tandem 201 prodotto con materiali ceramici, metallici, polimerici o simili.
Preferibilmente, il substrato tandem 201 identifica una prima estremità dell’apparato a celle solari tandem 200 sopra il quale vengono realizzati ulteriori strati.
Secondo una forma di realizzazione, l’apparato a celle solari tandem 200 comprende uno strato tandem di ossido conduttivo trasparente (TCO) di tipo n 202.
Preferibilmente, l’apparato a celle solari tandem 200 comprende una struttura tandem p-i-n amorfa 221 disposta in contatto elettrico con lo strato tandem di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 202 e include uno strato tipo p amorfo 223, uno strato tipo i amorfo 224, uno strato tipo n amorfo 225 (si veda la figura 2).
Tutti questi strati sono realizzati con un’interfaccia che assicura un contatto elettrico tra le superfici di contatto.
Preferibilmente, lo strato tipo p amorfo 223 è in contatto elettrico con lo strato tipo i amorfo 224, e lo strato tipo i amorfo 224 è in contatto elettrico con lo strato tipo n amorfo 225.
Secondo una forma di realizzazione, la struttura tandem p-i-n amorfa 221 è in contatto elettrico con almeno una superficie di una struttura tandem p-i-n microcristallina (o nanocristallina) 220.
Preferibilmente, la struttura tandem p-i-n microcristallina (o nanocristallina) 220 comprende uno strato tipo p microcristallino 203, uno strato tipo i microcristallino 204 e uno strato tipo n microcristallino 205.
Per una descrizione più compatta e concisa, le caratteristiche presentate di seguito e riguardanti strutture microcristalline si applicano in modo equivalente, a meno espressamente definito altrimenti, anche a strutture nanocristalline.
Con riferimento alla forma di realizzazione descritta nella figura 2, uno strato posteriore di metallo 206 è compreso nell’apparato a celle solari tandem 200, realizzato sullo strato tipo n microcristallino 105 e che definisce una seconda estremità dell’apparato a celle solari tandem 200 che è opposta alla prima estremità descritta in precedenza.
Secondo una forma di realizzazione, lo strato tandem di ossido conduttivo trasparente (TCO) di tipo n 202, la struttura tandem p-i-n amorfa 221 e la struttura tandem p-i-n microcristallina (o nanocristallina) 220 vengono depositate in sequenza sopra il substrato tandem 201.
Secondo una forma di realizzazione, lo strato tipo n microcristallino 205 comprende donatori tipo n microcristallini 215.
Preferibilmente, l’apparato a celle solari tandem 200 comprende atomi di idrogeno.
Le caratteristiche composizionali e dimensionali dei donatori tipo n microcristallini 215 compresi nello strato tipo n microcristallino 205 della struttura tandem p-i-n microcristallina (o microcristallina) 220 dell’apparato a celle solari tandem 200 sono le stesse dei donatori tipo n 115 dello strato tipo n 105 della struttura p-i-n 120 dell’apparato a celle solari 100.
È significativo riportare che la soluzione tecnica descritta qui dà una prestazione significativamente superiore: infatti, l’apparto a celle solari tandem 200 come descritto in precedenza aumenta il proprio rendimento di un punto percentuale rispetto a una cella solare tandem prodotta secondo gli insegnamenti dello stato dell’arte. Si è registrato un aumento dell’efficacia dal 13,6% al 14,7%.
Questo aumento è correlato al miglioramento della Jsc nella struttura tandem p-i-n microcrisallina 220 dell’apparato a celle solari tandem 200, grazie al più basso indice di rifrazione dello strato tipo n microcristallino 205 e al miglioramento del fattore di riempimento dovuto all’aumentata riflessione dei fori in corrispondenza dell’interfaccia i/n della struttura tandem p-i-n microcristallina 220.
I parametri delle celle solari dell’apparato a celle solari tandem 200 rispetto a quelli di un apparato a celle solari tandem convenzionali sono illustrati nella tabella 1. L’effetto risultante è un aumento di potenza di uscita della cella solare tandem 200 di circa il 10%.
Parametri cella Cella di μc-Si:H tipo n ricco riferimento di O
Jsc (mA/cm<2>) 13,8 14,15
Voc (V) 1,33 1,32
FF (%) 73,8 78,5
Rendimento (%) 13,6 14,7
TABELLA 1
La figura 9 mostra il confronto delle risposte spettrali o rendimenti quantistici della struttura tandem p-i-n amorfa 221 (indicata come “superiore” nella figura) e della struttura tandem p-i-n microcristallina 220 (indicata come “inferiore” nella figura), prodotta secondo gli insegnamenti dello stato dell’arte o l’insegnamento della presente invenzione, dove l’incremento del rendimento è chiaramente correlato all’aumento dell’uscita della cella microcristallina grazie allo strato tipo n microcristallino ricco di O 205.
Come si può vedere dalle deconvoluzioni dei picchi tracciate nella figura 9 come Rendimento [%] contro Lunghezza d’onda [nm], l’apparato a celle solari tandem 200 prodotto secondo la presente invenzione (identificato dalla linea con il cerchio) ha prestazioni superiori rispetto alla cella solare tandem prodotta secondo l’insegnamento dello stato dell’arte (identificata dalla linea incrociata). Il miglioramento del rendimento è particolarmente chiaro nell’ordine tra 600 nm e 1000 nm, dove opera principalmente la struttura p-i-n microcristallina 220.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione viene prodotto un apparato a celle solari di silicio a eterogiunzione 300. L’apparato a celle solari di silicio a eterogiunzione 300 comprende una struttura p-i-n a eterogiunzione comprendente uno strato tipo p a eterogiunzione 303, uno strato tipo i a eterogiunzione 304 e uno strato tipo n a eterogiunzione 305, in cui lo strato tipo n a eterogiunzione 305 comprende donatori tipo n a eterogiunzione 315 che includono atomi di fosforo.
Preferibilmente, i donatori tipo n a eterogiunzione 315 comprendono atomi di ossigeno a una concentrazione atomica compresa tra il 5% e il 25% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n a eterogiunzione 305.
È rilevante notare che le celle solari con architettura di celle solari di silicio a eterogiunzione (Silicon Heterojunction Solar: SHJ) con sottili strati tampone intrinsechi forniscono numerosi vantaggi rispetto alla convenzionale tecnologia a c-Si, ad esempio processo semplice e a bassa temperatura, buona passivazione superficiale, lavorabilità di wafer molto sottili e un alto rendimento di conversione dell’energia con un basso coefficiente di temperatura. Queste celle solari sono costituite da strati sottili di silicio amorfo su wafer di silicio microcristallino. Il punto chiave di queste strutture è lo spostamento dalla superficie cristallina di contatti (ohmici) altamente attivi nella ricombinazione mediante inserzione di un film con ampia banda proibita. Per ottenere il pieno potenziale del dispositivo, la densità dello stato dell’interfaccia etero dovrebbe essere minima.
Preferibilmente, i film di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) di solo alcuni nanometri di spessore sono candidati adatti: la loro banda proibita è più larga rispetto a quella del c-Si e, quando intrinsechi, questi film possono ridurre la densità dello stato superficiale del c-Si mediante idrogenazione. Inoltre, questi film possono venire drogati in modo relativamente facile, sia con drogaggio tipo n o tipo p, permettendo la fabbricazione (senza litografia) di contatti con valori molto bassi per la densità di corrente di saturazione. Un’area notevolmente ampia (> 100 cm<2>) di rendimenti di conversione dell’energia (~23%) è stata registrata da Sanyo, Giappone, per questi dispositivi.
Gli strati drogati depositati mediante CVD o PECVD assicureranno da un lato la formazione della giunzione (a-Si:H tipo p su wafer tipo n) e, dall’altro, il campo superficiale (a-Si:H tipo n su wafer tipo n). Nel caso riportato sulla figura 1, la configurazione scelta per l’esperimento è chiamata configurazione a emettitore posteriore, perché lo strato PECVD tipo p (su wafer tipo n) viene depositato sul retro (rispetto alla luce incidente) della cella solare e sarà l’elettrodo di raccolta della carica, mentre lo strato di n-a:Si viene depositato sul davanti per assicurare un buon campo superficiale e ridurre la ricombinazione elettrica. Sopra gli strati di silicio, un film antiriflettente di ossido conduttivo trasparente (TCO) con una bassa resistenza viene depositato mediante deposizione fisica da vapore (PVD). La raccolta della corrente viene resa possibile mediante griglie metalliche serigrafate.
Secondo una forma di realizzazione dell'invenzione riportata nella figura 10, l’apparato a celle solari di silicio a eterogiunzione 300 comprende un ossido conduttivo trasparente (TCO) frontale 301, un ossido conduttivo trasparente (TCO) posteriore 302, lo strato tipo p a eterogiunzione 303, lo strato tipo i a eterogiunzione 304, uno strato tipo n cristallino a eterogiunzione 304a, uno strato tipo i amorfo a eterogiunzione 304b, lo strato tipo n a eterogiunzione 305 comprendente donatori tipo n a eterogiunzione 315. Preferibilmente, la luce è incidente sull’ossido conduttivo trasparente (TCO) anteriore 301 e incontra in sequenza lo strato tipo n a eterogiunzione 305 comprendente donatori tipo n a eterogiunzione 315, poi lo strato tipo i amorfo a eterogiunzione 304b, lo strato tipo n cristallino a eterogiunzione 304a, lo strato tipo i a eterogiunzione 304, lo strato tipo p a eterogiunzione 303 e l’ossido conduttivo trasparente (TCO) posteriore 302. Questo tipo di configurazione è una “configurazione a emettitore posteriore”.
Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione, lo strato tipo p a eterogiunzione 303, lo strato tipo i a eterogiunzione 304, lo strato tipo i amorfo a eterogiunzione 304b e lo strato tipo n a eterogiunzione 305 comprendono atomi di idrogeno.
Preferibilmente, l’apparato a celle solari 100 comprende lo strato tipo cristallino n a eterogiunzione 304a e lo strato tipo i amorfo a eterogiunzione 304b tra lo strato tipo i 104 o lo strato tipo i a eterogiunzione 304 e lo strato tipo n 105 o lo strato tipo n a eterogiunzione 305 comprendente donatori tipo n a eterogiunzione 315, producendo l’apparato a celle solari a eterogiunzione Il rendimento dei dispositivi SHJ è tipicamente dominato da un pronunciato compromesso tra le perdite ottiche ed elettriche sul lato frontale. Strati in a-Si drogato possono ottenere proprietà ragionevoli di conducibilità incorporando il drogante durante la reazione di PECVD, ma la presenza di droganti aumenterà la difettosità dei materiali, rendendoli meno trasparenti alla luce. Nel lato frontale, questo materiale deve essere molto sottile per permettere che una quantità maggiore di luce raggiunga l’assorbitore del wafer di c-Si.
Nel caso della configurazione a emettitore posteriore, lo strato drogato sul lato frontale è di tipo n, la possibilità di sostituire un a-Si:H tipo n convenzionale con uno strato SiOx nanocristallino idrogenato tipo n (si veda la figura 2) è allettante dato che quest’ultimo è molto più trasparente rispetto al s-Si convenzionale, fino al 30% di luce in più (si veda la figura 3) potrebbe venire trasmessa negli ordini di lunghezza d’onda dove la cella in c-Si è assorbente, mediante leggera ossidazione dello strato n-drogato aggiungendo CO2 nella miscela di processo alla giusta concentrazione e al giusto regime di processo, senza mettere troppo a rischio le proprietà elettriche.
Come rappresentato schematicamente nella figura 6 e nella figura 7, l’apparato a celle solari 100 e l’apparato a celle solari tandem 200 vengono preferibilmente depositati mediante deposizione chimica da vapore (CVD) in base a una prima e a una seconda forma di realizzazione del metodo indicate rispettivamente con il numero di riferimento 400 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari 100 e con il numero di riferimento 400T nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200.
La prima forma di realizzazione 400 del metodo per formare l’apparato a celle solari 100 o la seconda forma di realizzazione 400T del metodo per formare l’apparato a celle solari tandem 200 comprendono:
• depositare l’ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 (o 202 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) su un substrato 101 (o 201 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) mediante CVD,
• formare una struttura p-i-n 120 (o 220 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) che include:
o depositare uno strato tipo p 103 (o 203 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) sopra detto ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 (o 202 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) mediante CVD;
o depositare uno strato tipo i 104 (o 204 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) sopra detto strato tipo p 103 (o 203 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) mediante CVD;
o depositare uno strato tipo n 105 (o 205 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) sopra detto strato tipo i 104 (o 204 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) mediante CVD;
in cui, depositare detto strato tipo n 105 (o 205 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) compreso in detta struttura p-i-n 120 (o 220 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) include depositare donatori tipo n 115 (o 215 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) che includono atomi di fosforo o di ossigeno mediante CVD.
Preferibilmente, la struttura p-i-n 120 (o 220 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) sono strutture microcristalline o nanocristalline.
Preferibilmente, la prima forma di realizzazione 400 (o la seconda forma di realizzazione 400T) viene eseguita sul substrato 101 (o substrato 201 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) sopra il quale devono venire depositati altri strati o regioni di materiali.
Preferibilmente, il substrato 101 (o substrato 201 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) è fatto di qualsiasi materiale adatto per sostenere e migliorare una giunzione p-i-n così da collaborare in modo positivo alla creazione dell’apparato a celle solari 100 (o dell’apparato a celle solari tandem 200). Come esempio, in alcune forme di realizzazione, il substrato 101 (o substrato 201 nel caso della produzione dell’apparato a celle solari tandem 200) è un substrato in vetro, un substrato in polimero, un substrato in metallo, un materiale composito o simili.
Di seguito, per una descrizione più compatta e concisa, fasi comuni alla prima forma di realizzazione 400 e alla seconda forma di realizzazione 400T del metodo vengono riportate in un’informazione compatta, separata dal simbolo “/”.
Prendendo come riferimento la figura 6 o la figura 7, la forma di realizzazione 400/400T inizia generalmente in corrispondenza della fase 402/402T in cui lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102/202 viene depositato sul substrato 101/201, preferibilmente mediante CVD.
Preferibilmente, lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102/202 comprende qualsiasi materiale adatto per fornire conducibilità elettrica assieme a sufficiente trasparenza per l’attrezzatura. Come esempio, in alcune forme di realizzazione, lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102/202 comprende stannato di cadmio (Cd2SnO4), ossido di stagno (SnO), diossido di stagno (SnO2), ossido di zinco (ZnO), loro combinazioni come ossido di indio-stagno (ITO) o simili.
Lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102/202 comprende, in alcune forme di realizzazione, altri droganti come boro (B), gallio (Ga), alluminio (Al), stagno (Sn).
Facendo riferimento alla figura 8, in base a una prima forma preferita di realizzazione 400 del metodo, viene prodotto il processo di CVD che comprende una fase di attivazione al plasma, prodotta mediante una deposizione chimica da vapore assistita da plasma (PECVD), realizzata mediante un’attrezzatura per PECVD 600.
In alternativa, altre attrezzature utilizzabili per eseguire il processo di CVD qui rivendicato sono la CVD a filo caldo o la CVD al plasma ad accoppiamento induttivo o simili. Il processo di CVD offre il vantaggio intrinseco di avere la possibilità di produrre, nella fase 402/402T delle forme di realizzazione 400/400T del metodo, uno strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n testurizzato 102/202, che migliora l’assorbimento della luce aumentando la luce che si intrappola al suo interno.
Preferibilmente, armonizzando le condizioni di deposizione delle forme di realizzazione 400/400T ottenute utilizzando l’attrezzatura per PECVD 600, e depositando ZnO come lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102/202, è possibile armonizzare le proprietà di opacità ottica (dove opacità è il rapporto tra trasmittanza diffusa e totale attraverso il TCO).
Alla fase 403/403c delle forme di realizzazione 400/400T del metodo per l’apparato a celle solari 100/apparato a celle solari tandem 200 viene prodotto di conseguenza lo strato tipo p microcristallino e nanocristallino 103/203. Preferibilmente, per migliorare l’assorbimento fotonico dello strato tipo i microcristallino o nanocristallino104, lo strato tipo p microcristallino o nanocristallino 103 viene prodotto con SiC, SiOx o SixNt o loro combinazioni.
Preferibilmente, lo strato tipo p microcristallino o nanocristallino 103 viene prodotto impostando i parametri di deposizione in modo da produrre rispettivamente strutture a fasi microcristallina, nanocristallina, amorfa o mista.
I seguenti parametri di deposizione riportati sono esempi di condizioni possibili da utilizzare durante il processo di deposizione: H22 l – 90 l; SiH45 sccm -1000 sccm; PH30,5 sccm-20 sccm; CO2: 10 sccm-1000 sccm.
Una serie preferita di parametri, soprattutto per deposizioni su grandi aree, è: H2: 90 l; SiH4: 250 sccm; PH3: 14 sccm; CO2: 500 sccm.
In un’altra forma di realizzazione, lo strato tipo p microcristallino, nanocristallino o amorfo 103 viene prodotto comprendendo atomi di idrogeno H.
Inoltre, the strato tipo p 103 viene preferibilmente prodotto comprendendo leghe di silicio-ossigeno Si-O o silicio-carbonio Si-C.
Secondo una forma di realizzazione, droganti compresi nello strato tipo p microcristallino o nanocristallino 103 sono ad esempio elementi del gruppo III, come boro (B), alluminio (Al), gallio (Ga) e loro combinazioni. Più preferibilmente, gas precursori contenenti B vengono utilizzati per la loro caratteristica di essere più facili e sicuri da utilizzare e maneggiare rispetto a quelli contenenti Al o Ga durante i processi di deposizione assistiti da plasma.
Per depositare positivamente lo strato tipo p microcristallino o nanocristallino 103, i parametri di processo dell’attrezzatura per PECVD 600 vengono vantaggiosamente controllati, monitorati e armonizzati attentamente.
Questa fase è rappresentata nella figura 6 come fase 403 della prima forma di realizzazione 400 e come fase 403c della seconda forma di realizzazione 400T. In particolare, viene vantaggiosamente definito un rapporto H2/SiH4abbastanza basso da ridurre al minimo il tempo di incubazione dovuto alle modifiche superficiali del ZnO indotte da H2. In questo modo è possibile evitare la formazione di micro o nanocristalliti con nucleazione a bassa densità, ma abbastanza alta da fondere completamente la fase micro o nanocristallina senza la presenza di fasi amorfe all’interno. Valori tipici di SiH4/(SiH4+ H2) sono 4-5% e B2H6/(SiH4+ B2H6) attorno al 4-8% per la struttura a fase amorfa dello strato tipo p 103 e 0,5 e 0,4% rispettivamente per la struttura a fase cristallina dello strato tipo p 103.
Preferibilmente, la velocità di deposizione utilizzata durante la fase 403/403c per la deposizione dello strato tipo p microcristallino, nanocristallino o amorfo 103 è sufficientemente alta da ridurre lo strato di accumulo indotto da H2che aumenta la zona di svuotamento: questa caratteristica del processo è regolata dal flusso di SiH4impostato a 0,36 slm e dalla potenza del dispositivo di generazione del plasma impostata a 0,1 W/cm<2>. In alcune forme di realizzazione dove il drogante è un composto del boro vengono vantaggiosamente utilizzati precursori comprendenti trimetilboro (B(CH3)3o TMB), diborano (BH3)2, trifluoruro di boro (BF3), trietilboro (B(C2H5)3o TEB) o simili. Per ottenere un drogaggio adeguato dello strato tipo p microcristallino, nanocristallino, amorfo o misto 103/203, i flussi di B2H6o TMB devono venire comandati nell’ordine da 0 a 100 sccm, con il flusso di SiH4che viene positivamente impostato a 0,3 slm e H2a 100 slm.
Quindi, alla fase 404/404c delle forme di realizzazione 400/400T del metodo, lo strato tipo i microcristallino o nanocristallino 104/204 compreso nella struttura p-i-n microcristallina o nanocristallina 120/220 (realizzata secondo le fasi 500/500c) viene depositato sopra lo strato tipo p a fase microcristallina, nanocristallina, amorfa o mista 103/203 come illustrato nelle figure 1, 2, 6 e 7. Preferibilmente, lo strato tipo i microcristallino o nanocristallino 104/204 esibisce uno spessore compreso tra 20 e 2000 nm. In alcune forme di realizzazione, lo strato tipo i a fase microcristallina, nanocristallina, amorfa o mista 104/204 comprende silicio Si, carburo di silicio SiC, ossidi di silicio SiO, silicio e idrogeno Si-H o simili.
Preferibilmente, la concentrazione di SiH4/(SiH4+ H2) è nell’ordine dello 0,3- 2% per la fase microcristallina e nanocristallina e nell’ordine del 2-10% per la fase amorfa, per assicurare la corretta struttura cristallina. Quindi, alla fase 405/405c delle forme di realizzazione 400/400T del metodo, lo strato tipo n microcristallino o nanocristallino 105/205 compreso nella struttura p-i-n microcristallina o nanocristallina 120/220 (realizzata alla fase 500/500c) viene depositato sopra lo strato tipo i microcristallino o nanocristallino 104/204 come illustrato nella figura 1 e nella figura 2. Preferibilmente, lo strato tipo n microcristallino o nanocristallino 105/205 comprende una fase amorfa e, secondo una forma preferita di realizzazione, esibisce uno spessore compreso tra 10 e 20 nm. In alcune forme di realizzazione, lo strato tipo n microcristallino o nanocristallino 105 comprende silicio Si, carburo di silicio SiC, silicio e idrogeno Si-H o simili. Il rapporto SiH4/(SiH4+ H2) è del 10% per la deposizione nella massa e viene diminuito allo 0,7% in corrispondenza dell’interfaccia con la giunzione n-p microcristallina. Preferibilmente, lo strato tipo n microcristallino o nanocristallino 105/205 comprende droganti adatti per esaltare la raccolta di carica e aumentare così il rendimento dell’apparato a celle solari 100. Droganti particolarmente adatti sono qualsiasi elemento del gruppo V, come fosforo P, arsenico As, antimonio Sb o simili. Preferibilmente, lo strato tipo n microcristallino o nanocristallino 105/205 comprende donatori tipo n 115/215 che includono atomi di fosforo e di ossigeno.
Preferibilmente, i donatori tipo n 115/215 comprendono atomi di ossigeno che hanno una concentrazione atomica compresa tra il 5% e il 25% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n 105.
Preferibilmente, i donatori tipo n 115/215 esaltano la struttura microcristallina o nanocristallina dello strato tipo n microcristallino o nanocristallino 105/205.
Preferibilmente, le deposizioni dei donatori tipo n 115/215 e dello strato tipo n microcristallino o nanocristallino 105/205 vengono eseguite mediante CVD. Con riferimento alle figure 6 e 7, alla fase 405b/405d delle forme di realizzazione 400/400T del metodo, i donatori tipo n 115/215 vengono prodotti mediante una codeposizione di fosforo e ossigeno durante la produzione dello strato tipo n microcristallino o nanocristallino 105/205.
Questa co-deposizione si ottiene utilizzando CO2, SiH4e PH3come gas di processo.
Preferibilmente, l’ordine ottimale del rapporto atomico CO2/SiH4è stato identificato compreso tra 0,2 e 2,5 inducendo una pressione di processo nelle camere di deposizione nell’ordine da 500 a 1800 Pa.
Preferibilmente, il processo di deposizione viene condotto con una camera di processo a una temperatura compresa tra 140°C e 200°C.
Preferibilmente, lo strato posteriore di metallo 106 (o 206 nel caso dell’apparato a celle solari tandem 200) viene formato mediante qualsiasi tecnica di deposizione adatta come CVD o PVD o simile, secondo gli insegnamenti descritti: ad esempio, in alcune forme di realizzazione, lo strato posteriore in metallo 106/206 viene formato mediante PECVD o, in alcune altre, mediante magnetron sputtering.
Dopo la deposizione dello strato posteriore in metallo 106/206, le forme di realizzazione 400/400T del metodo generalmente terminano, e l’apparato a celle solari 100 (o l’apparato a celle solari tandem 200) è adatto per venire ulteriormente trattato mediante qualsiasi tecnica desiderata, volta a rifinire o completare l’apparato a celle solari 100 (o l’apparato a celle solari tandem 200).
Preferibilmente, la forma di realizzazione 400T del metodo per produrre l’apparato a celle solari tandem 200 comprende:
• depositare un’ulteriore struttura p-i-n 221 tra l’ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 e la struttura p-i-n 120/220 comprendente lo strato tipo n 105 producendo un apparato a celle solari tandem 200.
Preferibilmente, l’ulteriore struttura p-i-n 221 è una struttura p-i-n amorfa.
Preferibilmente, la struttura p-i-n 120 ha una struttura microcristallina o nanocristallina.
Prendendo a riferimento la figura 2, la struttura p-i-n amorfa 221 comprende uno strato tipo p amorfo 223, uno strato tipo i amorfo 224 e uno strato tipo n amorfo 225. Preferibilmente, una sequenza di deposizione 500a per formare la struttura p-i-n amorfa 221 ha le seguenti fasi:
− lo strato tipo p amorfo 223 viene depositato sullo strato tandem di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 202 alla fase 403a,
− lo strato tipo i amorfo 224 viene depositato sullo strato tipo p amorfo 223 alla fase 404a,
− lo strato tipo n amorfo 225 viene depositato sullo strato tipo i amorfo 224 alla fase 405a.
Secondo una forma di realizzazione e prendendo a riferimento la figura 2 e la figura 7, lo strato tipo p microcristallino o nanocristallino 203 compreso nella struttura p-i-n microcristallina o nanocristallina 220 dell’apparato a celle solari tandem 200 viene depositato sullo strato tipo n amorfo 225.
Secondo un’altra forma di realizzazione, la struttura pi-n amorfa 221 viene prodotta mediante qualsiasi attrezzatura tecnica disponibile nello stato dell’arte. Preferibilmente, la struttura p-i-n amorfa 221 viene prodotta mediante un processo di CVD o un processo di PVD.
Secondo una forma di realizzazione descritta nella figura 10, un metodo comprendente la deposizione di uno strato cristallino tipo n a eterogiunzione 304a o uno strato amorfo tipo i a eterogiunzione 304b tra lo strato tipo i 104 o uno strato tipo i a eterogiunzione 304 e lo strato tipo n 105 o uno strato tipo n a eterogiunzione 305 comprendente donatori tipo n a eterogiunzione 315, producendo un apparato a celle solari 300. Si noterà che l’utilizzo della nuova soluzione proposta per l’ottimizzazione dell’architettura delle celle solari viene applicata preferibilmente a celle solari idrogenate in silicio microcristallino o nanocristallino idrogenato in configurazione p-i-n. Tuttavia, la soluzione tecnica proposta è adatta anche per μc-Si:H p-i-n dell’apparato a celle solari singole o per l’apparato a celle solari tandem o per giunzioni multiple generali (tre o quattro giunzioni) comprendenti celle solari superiori a-Si:H pi-n in serie con celle solari inferiori μc-Si:H p-i-n. La soluzione tecnica qui descritta è anche applicabile a celle solari con leghe di Si idrogenato che includono a-SiGe:H e μc-SiGe:H.
La soluzione proposta, che consiste nel co-drogaggio dello strato di μc-Si:H n-drogato al fosforo con ossigeno nell’ordine di composizione discusso in precedenza, permette di aumentare l’efficacia drogante della cella solare in silicio microcristallino di tipo n drogata con fosforo della struttura in μc-Si:H p-i-n.
Questa condizione aumenta così il fattore di riempimento della cella solare e migliora sia la quantità di luce riflessa dallo strato posteriore in metallo allo strato assorbitore in μc-Si:H intrinseco, aumentando così la Jsc e la barriera ai fori in corrispondenza dell’interfaccia i/n della giunzione in μc-Si:H p-i-n.
Inoltre, un esempio di realizzazione applicata a una cella solare tandem (che alterna una struttura p-i-n amorfa e una struttura p-i-n microcristallina) utilizzando uno strato tipo n microcristallino comprendente ossigeno con una concentrazione atomica di ~7% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n produce un miglioramento significativo nel rendimento della cella solare, ottenendo un aumento fino al 10% della potenza di uscita della cella solare.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato a celle solari (100) comprendente: • un substrato (101), • una struttura p-i-n (120) comprendente o uno strato tipo p (103), o uno strato tipo i (104), o uno strato tipo n (105), • lo strato tipo n (105) comprendendo donatori tipo n (115) che includono atomi di fosforo, caratterizzato dal fatto che i donatori tipo n (115) comprendono atomi di ossigeno a una concentrazione atomica compresa tra il 5% e il 25% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n (105).
  2. 2. Apparato a celle solari (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detto strato tipo n (105) ha una struttura microcristallina o nanocristallina.
  3. 3. Apparato a celle solari (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura p-i-n (120) ha una struttura microcristallina o nanocristallina.
  4. 4. Apparato a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i donatori tipo n (115) comprendono atomi di fosforo a una concentrazione atomica compresa tra l’1% e il 4% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n (105).
  5. 5. Apparato a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i donatori tipo n (115) comprendono atomi di ossigeno a una concentrazione atomica compresa tra il 7% e il 12% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n (105).
  6. 6. Apparato a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato tipo n (105) comprende atomi di idrogeno.
  7. 7. Apparato a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato tipo n (105) ha uno spessore compreso tra 20 e 60 nm.
  8. 8. Apparato a celle solari (100) secondo la rivendicazione 5, in cui lo strato tipo n (105) ha uno spessore di 40 nm.
  9. 9. Apparato a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto apparato a celle solari (100) comprende una struttura p-i-n amorfa (201) disposta sopra o sotto detta struttura p-i-n (120).
  10. 10. Apparato a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente uno strato cristallino tipo n a eterogiunzione (304a) e uno strato amorfo tipo i a eterogiunzione (304b) tra lo strato tipo i (104) o uno strato tipo i a eterogiunzione (304) e lo strato tipo n (105) o uno strato tipo n a eterogiunzione (305) comprendente donatori tipo n a eterogiunzione (315), producendo un apparato a celle solari a eterogiunzione (300).
  11. 11. Un metodo per formare un apparato a celle solari (100) comprendente: • depositare un ossido conduttivo trasparente tipo n (102) su un substrato (101); • formare una struttura p-i-n (120) che include o depositare uno strato tipo p (103) sopra detto ossido conduttivo trasparente tipo n (102); o depositare uno strato tipo i (104) sopra detto strato tipo p (103); o depositare uno strato tipo n (105) sopra detto strato tipo i (104); in cui, depositare detto strato tipo n (105) compreso in detta struttura p-i-n (120) include depositare donatori tipo n (115) che includono atomi di fosforo e atomi di ossigeno, avendo detti atomi di ossigeno una concentrazione atomica compresa tra il 5% e il 25% della composizione atomica complessiva dello strato tipo n (105).
  12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11 comprendente: • depositare un’ulteriore struttura p-i-n (221) tra l’ossido conduttivo trasparente tipo n (102) e la struttura p-i-n (120) comprendente lo strato tipo n (105) producendo un apparato a celle solari tandem (200) in cui la struttura p-i-n (120) ha una struttura microcristallina o nanocristallina.
  13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 11 comprendente: • depositare uno strato cristallino tipo n a eterogiunzione (304a) e uno strato amorfo tipo i a eterogiunzione (304b) tra lo strato tipo i (104) o uno strato tipo i a eterogiunzione (304) e lo strato tipo n (105) o uno strato tipo n a eterogiunzione (305) comprendente donatori tipo n a eterogiunzione (315), producendo un apparato a celle solari a eterogiunzione (300).
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