Ottimizzazione dell assorbimento nelle celle a film sottile in silicio con nanoholes e nanopillars. Vito Mocella IMM Unità di Napoli

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1 Ottimizzazione dell assorbimento nelle celle a film sottile in silicio con nanoholes e nanopillars Vito Mocella IMM Unità di Napoli

2 Motivazione della nanofotonica nel fotovoltaico Celle a film sottile : Necessità di migliorare l accoppiamento ed l intrappolamento della luce all interno della cella a film sottile Soluzione classica Random Texturing vs nanofotonica (Limite lambertiano) Nanofotonica : plasmonica e cristalli e quasi cristalli fotonici Vito Mocella Ottimizzazione dell assorbimento nelle celle a film sottile in silicio con nanohole e nanopillar

3 Light trapping con superfici planari testurizzate vs nanopillars Light trapping is realized in amorphous silicon (and other) solar cells by using substrates that are textured or rough on the same scales as the principal wavelengths in solar illumination. The idea is that the random reflection/diffraction of light by the irregular, textured topography leads to internal reflection Yablonovitch (1982) shows that maximum gain for statistical light trapping in a textured film on an ideal reflector is 4n 2, for Silicon is nearly a factor of 50 (for very weakly absorbed light). il percorso medio del raggio di luce èincrementato da da 2L a 4n 2 L Yablonovitch E, J. Opt. Soc. Am. 72, 899 (1982) Vito Mocella Ottimizzazione dell assorbimento nelle celle a film sottile in silicio con nanohole e nanopillar

4 Light trapping con superfici planari testurizzate vs nanopillars E quindi inutile approfondire ulteriormente: un random texturing èin grado già di fornire quanto richiesto? Il limite (teorico, molto teorico) di incremento pari a 4n 2 vale nelcasodispessorimolto maggiori della lunghezza d onda in cui è possibile applicare l ottica geometrica. Cosa accade se andiamo su dimensioni tipiche della nanofotonica? Vito Mocella Ottimizzazione dell assorbimento nelle celle a film sottile in silicio con nanohole e nanopillar

5 Le Nanostrutturazioni possono fornire un light trapping superiore al limite teorico del texturing random Nanopillar arrays show enhanced nearinfrared absorption, which allows their overall sunlight absorption to exceed the Yablonovitch ray optics light trapping absorption limit for an equivalent volume of randomly textured planar Si, over a broad range of incidence angles Kelzenberg et al. Nature Mat., 9, p Vito Mocella Ottimizzazione dell assorbimento nelle celle a film sottile in silicio con nanohole e nanopillar

6 Qual è la migliore configurazione per la nanostrutturazione? Da preferire Nanoholes o Nanopillars? Quali i parametri migliori Da preferire un array periodico, quasiperiodico o random? La gran parte della letteratura si limita ai nanopillars ma.. Vito Mocella Ottimizzazione dell assorbimento nelle celle a film sottile in silicio con nanohole e nanopillar

7 Confronto Nanopillars e Nanohols Un numero limitato di autori ha effettuato il confronto fra nanoholes e nanopillars Nano letters,10, 1082 (2010) JACS, 132, 6872 (2010) APL, 96, (2010) Silicon nanohole arrays exhibit better absorption and mechanical robustness Ma sarà vero? I parametri ottimali non sono concordi Una questione da approfondire Vito Mocella Ottimizzazione dell assorbimento nelle celle a film sottile in silicio con nanohole e nanopillar

8 film sottile Nanopillar o nanohole?

9 Alcuni dubbi Dispersion relation for the nanohole array structures for different c Si filling fractions in the direction of the hole axis. Gray dashed lines are dispersion relations for homogeneous c Si. The lattice constant a is 500 nm Nano letters,10, 1012 (2010) Calculated absorptance spectra for the nanohole and the nanorod array structures when the thickness d is 2.33 μmand mm. The c Si filling fraction and the lattice constant are 0.5 and 500 nm, respectively Meglio approfondire.

10 Alcuni parametri I principali parametri utilizzati per valutare le prestazioni delle celle fotovoltaiche sono Ultimate Efficiency: Corrente di Corto Circuito J sc : dove: I(λ) è l irradianza spettrale (Power Density) dello spettro ASTM AM1.5 incidente normalmente al dispositivo. A(λ) è l assorbanza della cella solare. λ èla lunghezza d onda della radiazione solare. λg èla lunghezza d onda corrispondente alla Bandgap del silicio; λg=1127 nm è la lunghezza d onda corrispondente ad Eg = 1.1 ev della Bandgap del silicio cristallino

11 Alcuni dei Risultati Ottenuti Absorption Struttura delle Bande Fotoniche Nanopillar a = 0.5, f = 0.5 Vito Mocella 11

12 Alcuni dei Risultati Ottenuti Struttura delle Bande Fotoniche Absorption Nanohole a = 0.5, f =

13 Discussione dei Risultati Ottenuti Considerazioni sulle Bande di Propagazione dei nanopillar Absorption dei Nanopillar (a = 0.5, f = 0.5) vs la frequenza normalizzata 13

14 Discussione dei Risultati Ottenuti Considerazioni sulle Bande di Propagazione dei nanohole e nanopillar 14

15 Discussione dei Risultati Ottenuti Prestazioni e confronto con i dati riportati in letteratura 1/6 Osserviamo che risulta: η hole >> η tf - per il 98% η pillar >> η tf - per il 138% 15

16 Confronto dei Risultati Ottenuti Prestazioni e confronto con i dati riportati in letteratura 2/6 Nano letters,10, 1012 (2010) Osserviamo che tutte le nostre strutture progettate hanno mostrato un Absorption dei nanopillar globalmente superiore a quella dei nanohole!!! Piccoli intervalli di lunghezze d onda in cui si ha qualche inversione di tendenza 16

17 Discussione dei Risultati Ottenuti Prestazioni e confronto con i dati riportati in letteratura 5/6 η pillar >>η hole Oltre al confronto con le bande fotoniche notiamo che nel caso dei pillar le risonanze sono molto più accentuate. E possibile cercare nelle risonanze un interpretazione del diverso comportamento fra pillar ed hole 17

18 Scattering Cross Section Nanopillar Nanohole 23/03/ De Martino Giuseppe Matr. N 94/46 18

19 Vettore di Poynting Valutazione e Considerazioni sui Dati Energia che fluisce nel piano in corrispondenza d incidenza puramente normale SX: Struttura a Nanohole DX: Struttura a Nanopillar 23/03/ De Martino Giuseppe Matr. N 94/46 19

20 Focus di ricerca & studio 23/03/ De Martino Giuseppe Matr. N 94/46 20

21 Prossimo step :confronto con light trapping con particelle plasmoniche e strutture aperiodiche

22 Nessuna conclusione ma solo un work in progress La nanofotonica ha pienamente il suo ruolo nell ottimizzazione delle celle solari a film sottile Gli strumenti della nanofotonica vanno usati con cautela Nuove idee sono necessarie per consolidare il ponte fra fotovoltaico e nanofotonica

23 Ringraziamenti Giuseppe De Martino (Tesi di Laurea Magistrale in Fisica) Voi (per l attenzione)