Descrizione del modulo "Realizzazione di prototipi di celle solari basate su silicio con architetture e processi innovativi (MD.P05.005.006)"

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  • Descrizione del modulo "Realizzazione di prototipi di celle solari basate su silicio con architetture e processi innovativi (MD.P05.005.006)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Lo sviluppo dei processi per la fabbricazione di celle solari efficienti ha ricadute immediate sulla qualità della vita degli individui. Infatti, l'uso di tali dispositivi è già di ampia diffusione, ma si prevede un'ulteriore crescita del mercato, per applicazioni non solo industriali o spaziali, ma anche domestiche. La ricerca nel campo delle celle solari innovative basate sul silicio fornisce delle risposte sia a livello collettivo che individuale, perchè consente: a) di rinforzare il mercato, sia quello europeo che italiano, in un settore in rapida crescita; b) di aumentare e soprattutto diversificare il 'portfolio' energetico, sia dell'unione europea che dell'Italia, a vantaggio di una minore dipendenza economica dai paesi esportatori di combustibili fossili; c) di creare occupazione specializzata; d) di migliorare le condizioni ambientali, finora in rapido deterioramento a causa dell'aumento dell'utilizzo di combustibili fossili, con vantaggi non solo sulla natura, ma anche nella salute dei cittadini. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Le tematiche di ricerca affrontate in questo modulo riguardano i molteplici aspetti della formazione di un fotodiodo ottimizzato per la conversione elettrica della luce solare. Le strutture proposte sulle quali si fabbricherà il dispositivo saranno 'uscenti' dal substrato, come i fili, già noti nel campo delle celle solari innovative e strutture più nuove basate su pori, cioè 'entranti' dentro il substrato. Le tematiche affrontate saranno: studio dei processi per la sintesi dei fili e dei pori. Studio e ottimizzazione delle geometrie. Ottimizzazione di litografie convenzionali e innovative basate su autoassemblamento di copolimeri. Studio del processo di formazione del contatto elettrico tramite drogaggi convenzionali e innovativi basati su soluzioni chimiche. Caratterizzazione e ottimizzazione di giunzioni radiali. Implementazione dei processi all'interno di diodi micro e nanostrutturati. Caratterizzazione strutturale ed elettro-ottica in condizioni standard e di irradianza controllata con luce da spettro solare. (literal)
Competenze
  • L'attività del modulo è sostenuta dalle competenze dei suoi afferenti nel campo dei processi per la microelettronica e delle tecniche di caratterizzazione fisica, chimica ed elettrica dei materiali e dei dispositivi a base Si. L'esperienza è testimoniata dalle numerose pubblicazioni, relazioni a congressi e partecipazioni a progetti nazionali ed europei. Nello specifico i componenti del modulo hanno sviluppato competenze nell'ambito della fabbricazione di materiali micro- e nano-strutturati, nel drogaggio di semiconduttori e nell'implementazione dei materiali in diodi a semiconduttore, e nella caratterizzazione di fotodiodi e celle solari. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • L'introduzione di processi innovativi, efficaci ed affidabili consente di migliorare le prestazioni delle celle solari, incrementando l'efficienza di fotoconversione. Dal punto di vista dello sviluppo tecnologico, l'utilizzo di nuovi processi ha delle implicazioni relative alla qualità dei prodotti, e inoltre richiede l'impiego di personale con alta qualificazione, con conseguenti ricadute occupazionali. Inoltre, l'applicazione di tali processi richiede la costruzione o lo sviluppo di apparecchiature industriali, derivanti dalla trasformazione di strumenti scientifici di ricerca in macchine per la produzione. Infine l'utilizzo di un materiale come il silicio, abbondante in natura, non tossico e con proprietà elettroniche ben studiate, consente un'implementazione più facile e a costi ridotti nei processi produttivi attuali. (literal)
Tecnologie
  • Tecniche di nanofabbricazione Litografia ottica convenzionale Litografia innovativa basata su auto-assemblamento di copolimeri a due blocchi Deposizione CVD Attacchi in plasma Drogaggio convenzionale e innovativo basato su soluzioni chimiche molecolari Processi termici rapidi e convenzionali (literal)
Obiettivi
  • L'obiettivo a lungo termine del modulo consiste nella realizzazione di prototipi di celle solari costruite su Si usando architetture innovative. Lo scopo è quello di valutare le potenzialità di alcune geometrie recentemente proposte nel campo delle celle solari, come quelle dei fili, e di confrontarle con nuove geometrie alternative, che offrono gli stessi vantaggi delle prime e in più assicurano una maggiore robustezza e maneggiabilità, oltre a proprietà ottiche più modulabili. Gli obiettivi a breve e medio termine riguardano: definizione delle geometrie ottimali; ottenimento di array di strutture 1D di Si e in Si, con dimensioni caratteristiche controllate, sia nel range dei nm che in quello dei micron, tramite litografie innovative e standard e tramite attacchi in plasma; fabbricazione di giunzioni sottili controllate sia nella concentrazione di drogante che nella profondità, tramite processi di drogaggio innovativi; formazione del contatto elettrico superiore; studio per l'implementazione dei vari passi di processo in un prototipo di dispositivo; valutazione e confronto delle caratteristiche fisico-chimiche ed elettro-ottiche dei materiali e delle prime versioni di prototipi. (literal)
Stato dell'arte
  • Le giunzioni radiali basate su strutture 1D come i fili si sono dimostrate promettenti per l'incremento dell'efficienza delle celle solari, perchè rispetto a quelle planari disaccoppiano l'assorbimento della luce dalla raccolta dei portatori minoritari. I dati di letteratura presentano maggiormente eterogiunzioni radiali fabbricate usando catalizzatori metallici randomici. L'eterogiunzione e la presenza di metalli però rappresentano un problema per il trasporto della corrente perchè fungono da trappole per i portatori. Inoltre i nanofili sono strutture meccanicamente fragili. La geometria a pori invece oltre a disaccoppiare l'assorbimento dal trasporto, garantisce un'elevata robustezza meccanica e non richiede catalizzatori metallici. L'ordine a livello nanometrico può essere ottenuto tramite la litografia a copolimeri. Inoltre l'omogiunzione radiale si può ottenere tramite il drogaggio da soluzioni chimiche che consentono controllo a livello nanometrico e concentrazioni elevate. (literal)
Tecniche di indagine
  • Tecniche convenzionali di caratterizzazione morfologica ed elettrica accoppiate a sorgenti di luce visibile e non, verranno utilizzate allo scopo di monitorare e studiare le proprietà dei materiali prima e dopo l'implementazione nei prototipi di diodi nonchè per quantificare le proprietà di fotoconversione. (literal)
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