Corso di Laurea in Fisica Contatti ohmici nelle celle solari a base di CdTe Relatore Prof. Alessio Bosio Candidato Francesco Caminati ANNO ACCADEMICO 2012-2013 Sommario 1. Introduzione 2. Conta1 ohmici con il CdTe 3. Stru9ura della cella solare 4. Il nuovo conta9o posteriore 5. Conclusioni Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 2 Introduzione Il CdTe è un o1mo materiale per celle solari perché: • Ha un 𝐸↓𝑔 =1,45𝑒𝑉 • Ha una gap dire9a Il rendimento delle celle solari a base di CdS-‐CdTe è pesantemente influenzato dal materiale usato per il conta9o posteriore, perché il conta9o influenza sia l’efficienza sia la durata temporale della cella stessa. Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 3 I conta1 ohmici Si ha un conta9o ohmico fra un metallo e un semicondu9ore di Kpo P se 𝛷↓𝑠 <𝛷↓𝑚 Stru9ura a bande di un metallo e semicondu9ore di Kpo p separaK e messi in conta9o Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 4 I conta1 ohmici Il CdTe ha un’alta affinità ele9ronica (5,7eV) e non ci sono metalli con una funzione di lavoro così alta. Quindi per creare conta1 ohmici si è pensato di agire in 2 modi: 1. Drogare pesantemente il CdTe all’interfaccia e sfru9are il tunnelling dei portatori di carica 2. Danneggiare l’interfaccia tramite etching chimico o abrasione Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 5 Il nuovo conta9o Usando un metallo a conta9o con il CdTe, c’è il problema che atomi di questo metallo possano diffondere in profondità nel CdTe. Per ovviare a questo problema si ricorre ad un buffer layer fra CdTe e metallo, formato con un semicondu9ore , dove M può essere As, Bi o Sb Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 6 Stru9ura della cella solare Stru9ura della cella solare e, qui a fianco, il processo di produzione con il profilo delle relaKve temperature. Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 7 Il roll-‐over Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 8 La rico9ura in aria La rimozione del ripiegamento per celle con CdTe depositato tramite CSS avviene solo se si ricuoce la cella solare in aria a 200°C. Durante questo processo si ha un arricchimento di Te vicino alla superficie CdTe-‐ 𝑀↓2 𝑇𝑒↓3 . Spe9ri RAMAN di campioni tra9aK e tra9aK+rico1 Tra9o da: A. Bosio, N. Romeo, D. Menossi, G. Rosa, P.P. Lo1ci, A. Romeo, I. Rimmaudo, A. Salaveri: Key developments in CdTe thin film solar cell back-‐contact, 2013 Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 9 Gli effe1 della rico9ura Il buffer layer tende a rilasciare atomi di Sb, As, o Bi, i quali si comportano come acce9ori nello strato di CdTe. Quindi come si può spiegare la sparizione della barriera re1ficante? Bisogna considerare alcuni fenomeni che coinvolgono gli atomi del metallo: 1. Formazione di un composto 𝑀↓2 𝑇𝑒↓3 2. Formazione di un ossido 3. Piegamento delle bande Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 10 1 Formazione di 𝑀↓2 𝑇𝑒↓3 Questo composto è altamente condu1vo ed è di Kpo p. La formazione di esso evita che gli atomi dello strato metallico penetrino in profondità nel CdTe Reazioni nel sistema Mo/𝑆𝑏↓2 𝑇𝑒↓3 : 1. Mo+2/3𝑆𝑏↓2 𝑇𝑒↓3 -‐>𝑀𝑜𝑇𝑒↓2 +4/3 Sb 2. Sb+3Te-‐>𝑆𝑏↓2 𝑇𝑒↓3 3. 3Mo+4/3 𝑆𝑏↓2 𝑇𝑒↓3 -‐>𝑀𝑜↓3 𝑇𝑒↓4 + 8/3 Sb 4. Mo+2Te-‐>𝑀𝑜𝑇𝑒↓2 Tra9o da: A.E. A𝑀bken, O. J4. B artelt, 5. 3Mo+4Te-‐> 𝑜↓3 𝑇𝑒↓ Spu<ered Mo/𝑆𝑏↓2 𝑇𝑒↓3 and Ni/ 𝑆𝑏↓2 𝑇𝑒↓3 layers as back contacts for CdTe/CdS solar cells, 2002, Thin Solid Films 403-‐404, 216-‐222 Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 11 2 Formazione di un ossido Per via della grande affinità fra metallo e ossigeno, si può formare un ossido nei bordi di grano del film di CdTe, il più stabile dei quali è 𝑆𝑏↓2 𝑂↓5 . Profili quanKtaKvi SIMS della concentrazione di Sb e O nella regione di conta9o. Tra9o da: K. Durose, D. Boyle, A. Abken, C.J. O9ley, P. Nollet, S. Degrave, M.Burgleman, R. Wendt, J. Beier, D.Bonnet: Key aspects of CdTe/CdS solar cells, 2002, phys. Stat. Sol. (b) 229, No.2, 1055-‐1064 Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 12 3 Piegamento delle bande La maggior parte delle impurità di Sb in CdTe policristallino si concentra nei bordi di grano: questo causa un piegamento delle bande ai bordi di grano Schema del piegamento delle bande nei bordi di grano in CdTe Kpo p Tra9o da: Mao-‐Hua Du, First principle study of back-‐contact effects on CdTe thin film solar cells, 2009, Physical Review B 80, 205322, 1-‐4 Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 13 Conclusioni Abbiamo dimostrato che tramite una rico9ura si ha un grande miglioramento del rendimento della cella stessa. Come abbiamo spiegato la rico9ura, per un conta9o di , invece di favorire la diffusione di atomi metallici nel film a1vo, cambia la stru9ura del conta9o stesso. Test di invecchiamento su celle solari avenK un conta9o di hanno mostrato un’efficienza migliorata e hanno comprovato la longevità della cella stessa Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 14 RingraziamenK Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 15 Bibliografia • A. Bosio, N. Romeo, D. Menossi, G. Rosa, P.P. Lo1ci, A. Romeo, I. Rimmaudo, A. Salaveri: Key developments in CdTe thin film solar cell back-‐contact, 2013 • Tra9o da: A.E. Abken, O. J. Bartelt, Spu<ered Mo/𝑆𝑏↓2 𝑇𝑒↓3 and Ni/𝑆𝑏↓2 𝑇𝑒↓3 layers as back contacts for CdTe/CdS solar cells, 2002, Thin Solid Films 403-‐404, 216-‐222 • K. Durose, D. Boyle, A. Abken, C.J. O9ley, P. Nollet, S. Degrave, M.Burgleman, R. Wendt, J. Beier, D.Bonnet: Key aspects of CdTe/ CdS solar cells, 2002, phys. Stat. Sol. (b) 229, No.2, 1055-‐1064 • : Mao-‐Hua Du, First principle study of back-‐contact effects on CdTe thin film solar cells, 2009, Physical Review B 80, 205322, 1-‐4 Conta1 ohmici in celle solari a base di CdTe 16
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