TinJet: Tin Sulphide solar cells by Ionized Jet Deposition

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1 Dr. Daniele Menossi TinJet: Tin Sulphide solar cells by Ionized Jet Deposition Progetto sostenuto nell ambito del bando per progetti di ricerca scientifica finalizzati allo sviluppo di iniziative imprenditoriali (2014/2015)

2 LA RICERCA Il progetto mira a dimostrare la produzione di celle solari a film sottile a base di Solfuro di Stagno (SnS) mediante l'innovativa tecnica di deposizione IJD sviluppata da Noivion Srl. Il Solfuro di Stagno rappresenta infatti un eccellente candidato per la produzione di massa di celle solari, in quanto è composto da elementi abbondanti e non tossici, al contrario dei materiali attualmente utilizzati per la produzione di massa di pannelli solari a film sottile (prevalentemente CdTe e CIGS). Questi soffrono di limitazioni legate ad aspetti di scarsità e/o tossicità di alcuni elementi che li compongono, rappresentando così un vincolo alla diffusione su larghissima scala delle più economiche tecnologie fotovoltaiche a film sottile. 2

3 I PARTNER E LE COLLABORAZIONI - Giovane ricercatore: Deposizione di film sottili, fabbricazione di dispositivi fotovoltaici, test e caratterizzazione - Laboratory for Photovoltaics and Solid State Physics, LAPS: Realizzazione su piccola scala di prototipi fotovoltaici, caratterizzazione dei dispositivi e dei materiali: efficienza, struttura degli strati, stechiometria dei materiali - Noivion Srl: Sviluppo e produzione di sistemi di deposizione PED/IJD 3

4 La cella solare Una cella solare è un dispositivo a stato solido in grado di convertire l energia luminosa in energia elettrica. E costituita essenzialmente dalla GIUNZIONE p-n. - GIUNZIONE E materiale n (buffer) materiale p (assorbitore) 4 +

5 I principali parametri di una cella solare sono: J (ma/cm 2 ) V M FILL-FACTOR FF = V M * J M V OC * J SC P MAX V (mv) P M P INC. L EFFICIENZA η = = FF * V OC * J SC P INC. J M J SC V OC 5

6 La cella solare a film sottili Vetro soda-lime SUBSTRATO CONTATTO ANTERIORE STRATO BUFFER STRATO ASSORBITORE GIUNZIONE p-n CONTATTO POSTERIORE 6

7 Produzione mondiale di moduli fotovoltaici 7

8 VANTAGGI: ridotta quantità di materiale (meno di 10 µm di spessore) dispositivi leggeri e più facilmente integrabili (edilizia, sistemi di trasporto) possibilità di realizzare dispositivi flessibili e su vari tipi di substrato SVANTAGGI: tecnologia più recente e meno sperimentata efficienza inferiore ai dispositivi massivi (Si, GaAs) costi produttivi superiori rispetto alla tecnologia silicio 8

9 Le celle solari a film sottile a base di CuInGaSe 2 e CdTe sono le più promettenti per rapporto efficienza/costo, se poste in competizione con quelle a base di silicio cristallino La migliore cella a silicio monocristallino finora realizzata ha raggiunto un efficienza di conversione fotovoltaica del 26.3% [Kaneka Corporation] Le migliori celle CIGS e CdTe finora realizzate hanno raggiunto efficienze di conversione fotovoltaica del 22,6% e 22.1% [ZSW, First Solar] NEDO, Kaneka Corporation, 2016 P. Jackson et all, Phys. Status Solidi RRL 10, No. 8, (2016) 9

10 CIGS CdTe elementi rari e costosi composto a base di Cd SnS energy gap compresa tra 1.2 e 1.5 ev coefficiente di assorbimento > 10 4 cm -1 10

11 La cella solare SnS/CdS (superstrato) LAPS vetro soda-lime SUBSTRATO ITO 500 nm (D.C. sputtering) ZnO 100 nm (R.F. sputtering) CdS 50 nm (HVTE) SnS 2.5 μm (PED / IJD) Au 30 nm (HVTE) CONTATTO ANTERIORE GIUNZIONE p-n CONTATTO POSTERIORE 11

12 Processo convenzionale Evaporazione termica in vuoto (HVTE) camera da vuoto lampade riscaldanti porta substrato cella ad effusione substrato shutter sorgente di SnS riscaldamento coassiale 12

13 Disuniformità su grande area di substrato Disomogeneità di stechiometria, a causa di formazione di fasi secondarie SUBSTRATO SUPERSTRATO η = 1.6% A Schneikart et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) η = 1.5% Simone Di Mare et al. Coatings 2017, 7(2), V. Steinmann et al., Adv. Mat. 26, 7488 (2014)

14 Deposizione di SnS policristallino Pulsed Electron Deposition (PED) si basa sulla ionizzazione di un flusso di gas inerte, la successiva formazione di un fascio elettronico pulsato, che a sua volta fuoriesce ad alta velocità attraverso un ugello. Ar e - e - HV cilindro dielettrico plasma materiale anodo target catodo cavo 14 HV

15 Ionized Jet Deposition (IJD) PED LAPS Verona IJD Rovereto 15

16 Voltaggio pulsato (25 kv) Durata impulso (µs) Densità di corrente di fascio ( A/cm 2 ) Densità di potenza di fascio (10 2 MW/cm 2 ) rapida sublimazione del materiale target ablazione fredda e riduzione di effetti termici mantenimento stechiometria 16

17 Caratterizzazione AFM uniformità morfologia 50 µm XRD omogeneità composizionale 17

18 Performance dei dispositivi 18

19 Cause bassa efficienza fotovoltaica CdS ZnIn 2 Se 4 Zn 1-x Mg x O InS x O y Cd 1-x Zn x S Zn(O,S) 19

20 Risultati ottenuti I principali progressi compiuti nel processo di celle solari SnS/CdS sono: Sperimentazione dei parametri ottimali per la deposizione (pressione e temperatura di deposizione, potenza del fascio elettronico e spessore dei film di SnS) Caratterizzazioni AFM e XRD hanno dimostrato una buona uniformità morfologica ed omogeneità composizionale dei film di SnS, senza fasi secondarie Fabbricazione di celle solari funzionanti a base di SnS/CdS. Articoli: S. Di Mare, A. Salavei, D. Menossi et al. A Study of SnS Recrystallization by post deposition treatment, Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2016 IEEE 43, S. Di Mare, D. Menossi et al. SnS Thin Film Solar Cells: Perspective and Limitations, Coatings, 2017, 7(2), 34. D. Menossi et al, SnS by Ionized Jet Deposition for photovoltaic applications, Photovoltaic 20 Specialists Conference (PVSC) 2017 IEEE 44 th, Washington, D.C., June 2017

21 Obbiettivi e sviluppi futuri Ricristallizzazione film di SnS (sulfurizzazione o trattamenti chimici) Sperimentazione di strati buffer alternativi al CdS Miglioramento proprietà fotovoltaiche del materiale assorbitore Riduzione difetti di giunzione Miglioramento dei parametri fotovoltaici e delle performance dei dispositivi sviluppo know-how Ricadute sul territorio inserimento strumentazione Noivion nel settore fotovoltaico possibili brevetti 21

22 Ringraziamenti Fondazione Cassa di Risparmio di Trento e Rovereto, CARITRO Prof. Alessandro Romeo, Laboratorio LAPS, Università di Verona Dr. Gianpiero Tedeschi, Noivion Srl 22