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Gabriella Carlini
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1 ENEA - Centro Ricerche PORTICI L ENEA e la ricerca di sistema elettrico: Il fotovoltaico innovativo - 12 luglio 211 Film sottili di silicio: Sviluppo di substrati di ZnO per un efficace intrappolamento della radiazione Maria Luisa Addonizio

211 Film sottili di silicio: Sviluppo di substrati di ZnO

2 Sommario Proprietà del TCO usato come elettrodo frontale L ossido di zinco: vantaggi, tecnica di deposizione Proprietà dello ZnO:B prodotto per LP-MOCVD Trattamenti in plasma Risultati su dispositivi Strategie di confinamento ottico Sviluppo di ZnO a doppia testurizzazione

prodotto per LP-MOCVD Trattamenti in plasma Risultati su dispositivi

3 Celle solari a film sottile di Si proprietà del TCO Configurazione superstrato: struttura p-i-n (TCO primo strato depositato) tecnologie per lastre di vetro Proprietà del TCO usato come elettrodo frontale - Conduttivo Rsh= 5-15 Ω/sq ρ 1 x 1-3 Ωcm - Trasparente ( λ=35-1 nm) Ttot 8% α < 3 cm-1 - Antiriflettente - Testurizzato Light-trapping (policristallino) RMS > 3 nm Fattore di haze > 8

elettrodo frontale - Conduttivo Rsh= 5-15 Ω/sq ρ 1 x 1-3 Ωcm - Trasparente ( λ=35-1 nm) Ttot 8% α

4 Effetto del Ligth-trapping trapping Reflectance (%) ZnO flat ZnO textured alpha a-si:h (cm -1 ) Quantum Efficiency ZnO textured ZnO flat J =17. ma/cm 2 sc J =12.8 ma/cm 2 sc Wavelength (nm) Wavelength (nm) Efficiente light-trapping Aumento della Jsc fino al 35%

2 1 5 ZnO flat 1 1 5 8 1 4 6 1 4 ZnO textured 4 1 4 2 1 4 alpha a-si:h (cm -1 ) Quantum

5 Quale TCO Ossidi utilizzati come TCO: SnO 2 : (F, Sb) In 2 O 3 :Sn (ITO) ZnO: (Al, B) Disponibilità di mercato e costi di substrati vetro /TCO ITO -ampia disponibilità (riduzione riserve di Indio aumento del costo) SnO 2 -Monopolio ASAHI Comp. (vetri SLG + buffer di SiO 2 ~ 16 /m 2 ) ZnO -assenza di un prodotto commerciale per PV a film sottile Incidenza del costo del substrato (vetro + TCO) sul processo di produzione: ~ il 3% del costo finale del dispositivo Ossido idoneo per celle a base di Si microcristallino Vantaggi dell ossido di zinco Ampia disponibilità di zinco in natura Stabilità al plasma di idrogeno (idoneo sia per a-si:h che per µc-si:h) Efficace funzione barriera per interdiffusioni dal substrato Poco costoso (ottenibile con processi a bassa temperatura) Valida alternativa sia ai costosi ossidi commerciali di SnO 2 che come sostituto dell ITO a causa della riduzione delle riserve naturali di indio

(vetri SLG + buffer di SiO 2 ~ 16 /m 2 ) ZnO -assenza di un prodotto commerciale per PV a film sottile Incidenza del costo del substrato (vetro + TCO) sul processo di produzione: ~ il 3% del costo

6 Tecniche di deposizione ZnO Principali tecniche di deposizione: spray pyrolisis, sputtering, MOCVD Tecnica di deposizione: LP-MOCVD (Low-Pressure Metal Organic Chemical Vapour Deposition) Alta velocità di deposizione: >3 Ǻ /sec Bassa temperatura di deposizione (< 2 C) Idoneo per larga area Fattori di interesse industriale Materiale naturalmente testurizzato Controllo della rugosità e del drogaggio Processo soft interfaccia di alta qualità utilizzabile anche per back reflector

Bassa temperatura di deposizione (< 2 C) Idoneo per larga area Fattori di interesse industriale Materiale naturalmente

7 IMPIANTO LP-MOCVD Customized Low Pressure- MOCVD apparatus (ENEA-Elettrorava)

8 ZnO:B - Proprietà DEZ + H 2 O B 2 H 6 ZnO:B Proprietà del materiale TRASPARENZA Trasmittanza > 82 %, R<1% CONDUCIBILITA Sheet resistance = 6 8 Ω/sq Resistività=1 x 1-3 Ωcm Mobilità=38 cm 2 /V s Struttura policristallina di ZnO per LP- CVD (Wurtzite esagonale con orientazione (11)) TESTURIZZAZIONE Rugosità > 6 nm, Haze= 25%

Resistività=1 x 1-3 Ωcm Mobilità=38 cm 2 /V s Struttura policristallina di ZnO

9 Ottimizzazione del processo di deposizione Deposito completamente testurizzato sull intera area 3 x 3 cm 2 Buona Uniformità di spessore (± 5%) e di proprietà elettriche (Rsheet = 6-8 Ω/sq) Velocità di deposizione > 28 Ǻ/sec Processo perfettamente ripetibile ZnO:B su larga area L ossido di zinco prodotto per LP-MOCVD è un buon candidato per la produzione industriale di dispositivi a film sottile di silicio

deposizione > 28 Ǻ/sec Processo perfettamente ripetibile ZnO:B su larga area L ossido di zinco

10 ZnO:B - trattamenti in plasma Limiti dello ZnO as grown - Problemi all interfaccia ZnO/p(a-Si) (FF, V oc,r serie ) - Degrado delle proprietà elettriche nel tempo Trattamenti in plasma di Argon - Reactive Ion Etching (RIE) Arrotondamento dei grani sulla superficie Ampliamento delle valli As grown Dopo trattamento in plasma di Argon

Trattamenti in plasma di Argon - Reactive Ion Etching (RIE) Arrotondamento dei

11 ZnO:B - trattamenti in plasma Ottimizzazione dell interfaccia ZnO/p-aSi Stabilizzazione elettrica dei film di ZnO I (ma/cm 2 ) ZnO Ar treated η = 9.2 ZnO as grown η = 6.5 Sheet resistance (ohm/sq) ZnO as grown (thickness=1.6 µm) ZnO as grown (thickness=2.1 µm) Voc (V) 5 ZnO - Ar etched (thickness=2.1 µm) Tempo (mesi)

2 ZnO as grown η = 6.5 Sheet resistance (ohm/sq) 25 2 15 1 ZnO as grown (thickness=1.

12 Dispositivi pin 16 a-si:h I-V 14 Tandem micromorfa I (ma/cm 2 ) Quantum Efficiency ZnO Ar treated η = 9.2 SnO 2 η = V (V) SnO 2 J sc =17. ma/cm 2 J sc =16.1 ma/cm Wavelength (nm) ZnO Risposta spettrale Jsc (ma/cm 2 ) SnO 2 Voc = 1.26 V Jsc = 12.5 ma/cm 2 FF = 68.8 Eff = 1.9 % ZnO:B Voc = 1.28 V Jsc = 13.3 ma/cm 2 FF = 68.3 Eff = 11.6 % Voc (V) Lo ZnO prodotto per CVD e modificato con trattamento di plasma etching ha migliori prestazioni rispetto all SnO 2 commerciale

26 V Jsc = 12.5 ma/cm 2 FF = 68.8 Eff = 1.9 % ZnO:B Voc = 1.28 V Jsc = 13.3 ma/cm 2 FF = 68.3 Eff = 11.6 %.2.4.6.8 1 1.2 1.

13 Strategie di confinamento ottico Obiettivi dello sviluppo di celle solari a film sottile di silicio alta efficienza stabilizzata Aumento dell assorbimento ottico attraverso light trapping più efficaci Aumentare la quantità di luce assorbita nel dispositivo (in particolare nella regione IR) con conseguente aumento della corrente di corto circuito Poter ridurre lo spessore dello strato intrinseco, in particolare della cella in µc-si, con una riduzione dei tempi e dei costi di deposizione Aumento della stabilità

(in particolare nella regione IR) con conseguente aumento della corrente di corto circuito Poter ridurre lo spessore dello

14 Strategie di confinamento ottico Strategie di confinamento ottico: scenario internazionale geometrie tridimensionali basate su TCO nanostrutturato light-trapping di TCO frontali macro (strutture periodiche)e nano testurizzati cristalli fotonici risonanze plasmoniche Attività ENEA: Testurizzazione di ossidi e substrati Determinare la rugosità migliore capace di produrre uno scattering della luce che dia un efficiente light trapping Ossido a doppio strato prodotto per MOCVD con primo layer trattato chimicamente Testurizzazione del substrato (Tecnica RIE - adeguamento dell impianto) RMS=2nm

Testurizzazione di ossidi e substrati Determinare la rugosità migliore capace di produrre uno scattering della luce che dia un efficiente light

15 Trattamenti di etching chimico Deposizione del primo layer di ZnO Attacco in soluzioni diluite di HCl (Analisi dell effetto della diluizione, del ph delle soluzioni, durata dell attacco) Rimozione ad elevata anisotropia formazione di strutture verticali ad alto rapporto di aspetto 25 2 Rugosità RMS (nm) ph = Tempo (s) Rugosità = 13 nm

dell attacco) Rimozione ad elevata anisotropia formazione di strutture verticali ad alto

16 Trattamenti di etching chimico Deposizione secondo layer di ZnO di spessore ottimizzato Caratterizzazione delle superfici e delle proprietà di scattering: SEM, AFM morfologia, rugosità RMS UV-VIS-NIR T, R, haze Angular resolved scattering (ARS) Angolo preferenziale di scattering

proprietà di scattering: SEM, AFM morfologia, rugosità RMS UV-VIS-NIR

17 Morfologia e rugosità superficiale Struttura piramidale Struttura a doppia testurizzazione SEM AFM RMS = 64 nm RMS = 14 nm

18 Proprietà ottiche ed elettriche T, R (%) Struttura piramidale Struttura a doppia testurizzazione Fattore di Haze (%) Struttura piramidale Struttura a doppia testurizzazione 54 % % Lunghezza d'onda (nm) Lunghezza d'onda (nm) Struttura piramidale Struttura a doppia testurizzazionet (Intervallo di lunghezza d onda 4-11 nm) Trasmittanza: 8 % 78 % Riflettanza: 1 % 12 % Fattore di Haze: 21 % 63 %

Lunghezza d'onda (nm) 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Lunghezza d'onda (nm) Struttura piramidale Struttura a doppia

19 Proprietà ottiche ed elettriche Angular Resolved Scattering (ARS) Potenza di scattering (a.u.) Struttura piramidale Struttura con doppia testurizzazione 4 7 Struttura piramidale Angolo di scattering ( ) Proprietà elettriche Struttura a doppia testurizzazione Sheet resistance: 7 Ω/sq 7 Ω/sq Resistività: 1.3 x 1-3 Ωcm 1.3 x 1-3 Ωcm

20 Conclusioni Lo ZnO prodotto per CVD e modificato con trattamento di plasma etching ha proprietà elettriche stabili nel tempo, i dispositivi realizzati hanno prestazioni migliori rispetto all SnO 2 commerciale L ossido di zinco ottenuto con struttura a doppia testurizzazione ha elevate proprietà di scattering (alto valore di Haze nell intera regione spettrale di interesse (4-11nm)) rispetto all ossido con struttura piramidale, questo dovrebbe produrre un aumentato effetto di lighttrapping nella regione IR dello spettro solare con effetti positivi sulla cella bottom di µc-si

elevate proprietà di scattering (alto valore di Haze nell intera regione spettrale di interesse (4-11nm)) rispetto all ossido con struttura

21 Grazie per l attenzionel

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