IT201600096823A1 - Dispositivo a cella solare e metodo di produzione dello stesso - Google Patents

Dispositivo a cella solare e metodo di produzione dello stesso

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Description

"APPARECCHIO A CELLE SOLARI E METODO PER FORMARE LO STESSO"
DESCRIZIONE
Campo dell'invenzione
La presente invenzione riguarda un apparecchio a celle solari del tipo comprendente una struttura p-i-n e un metodo per formare lo stesso.
Stato dell'arte dell'invenzione
Gli apparecchi a celle solari sono largamente diffusi e usati a livello mondiale come dispositivi elettrici in grado di convertire l'energia della luce direttamente in elettricità mediante l'effetto fotovoltaico. Le strutture p-i-n basate su semiconduttori di silicio drogato e ossidi di conduttivi trasparenti (TCO) sono componenti tipici e fondamentali di questi dispositivi comprendenti una regione di semiconduttore basato su silicio di tipo p (ad esempio strato tipo p), una regione di semiconduttore a base di silicio di tipo-(ad esempio strato tipo n) e una regione di semiconduttore a base di silicio "quasi" intrinseco leggermente drogato (ad esempio strato tipo i). Il TCO è estremamente importante come contatto anteriore di celle solari a film sottili e le sue proprietà ottiche ed elettriche determinano il corretto comportamento del dispositivo. Tipicamente, elevata trasmittanza, bassa resistività ed elevata opacità (rapporto tra trasmittanza diffusa e trasmittanza totale) sono caratteristiche perseguite al fine di migliorare le prestazioni degli apparecchi a celle solari. Inoltre, l'efficienza di celle solari a base di silicio è fortemente sensibile allo strato di ossido conduttivo trasparente TCO usato come contatto anteriore trasparente: le celle solari p-i-n sono tipicamente progettate in una certa configurazione in cui il silicio tipo p è a contatto elettrico diretto con il TCO anteriore. È noto che le celle p-i-n usano un contatto anteriore di TCO testurizzato (ad esempio di biossido di stagno (SnO2)) che ha trasmittanza e proprietà elettriche adeguate anche se suscettibile alla riduzione mediante idrogeno durante la Deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD). Al contrario, altri TCO come ossido di zinco (ZnO) sono un'alternativa interessante a SnO2essendo più resistenti a danni indotti da plasma di idrogeno e inoltre con valori di trasmittanza più elevati. I film di ZnO più comuni sono generalmente ottenuti tramite Deposizione Fisica in Fase di Vapore (PVD) o Deposizione Chimica da fase vapore (CVD): queste sono tecniche efficaci in termini di costi se confrontate al coefficiente di temperatura elevata (550°C-650°C) usato per la deposizione di SnO2mediante CVD a pressione atmosferica. Quando prodotto mediante deposizione PVD a polverizzazione lo strato di ZnO è piatto, a causa delle direzioni di crescita di deposizione indotte dal campo magnetico durante il processo di formazione, e al fine di raggiungere una texture adeguata e vantaggiosa è richiesto un ulteriore attacco chimico postdeposizione, tipicamente mediante HCl. Nell'ultimo caso di deposizione in fase di vapore (CVD) di elementi chimici organo-metallici (MO), il film ottenuto è naturalmente testurizzato e regolando le condizioni di posizione è possibile controllare le proprietà di opacità ottica ottenendo valori elevati.
Un esempio di celle solari tipo p-i-n con ZnO come TCO è divulgato nel documento US 2013/0048987, riguardante un metodo per formare una struttura p-i-n su un substrato che include la formazione di uno strato tipo p bi-strato sul substrato mediante: deposizione di uno strato microcristallino tipo p sullo strato protettivo; e deposizione di uno strato tipo p amorfo sopra lo strato tipo p microcristallino; deposizione di uno strato tipo i amorfo mediante deposizione chimica da fase vapore a filo riscaldato sopra lo strato tipo p amorfo; e deposizione di uno strato tipo n amorfo sullo strato tipo i amorfo. Secondo una delle forme di realizzazione di US 2013/0048987 la struttura p-i-n include uno strato tipo p bi-strato disposto sopra un substrato, lo strato tipo p bi-strato avendo uno strato microcristallino tipo p e uno strato tipo p amorfo disposto sullo strato tipo p microcristallino; uno strato tipo i amorfo disposto sullo strato tipo p bistrato; e uno strato tipo n disposto sullo strato tipo i.
Come beneficio generale le proprietà di più elevata opacità e la buona trasmittanza di ZnO permettono alla cella solare di catturare più luce all'interno dei suoi strati assorbenti. Nonostante la generazione di fotocorrente più elevata, relativa a maggiore luce intrappolata negli strati di silicio, la fabbricazione di celle solari tipo p-i-n con ZnO come TCO risulta in un minore fattore di riempimento (FF) e una tensione a circuito aperto (Voc) significativamente minore. Questo inconveniente essenzialmente deriva dalla presenza di contatto rettificante tra il materiale di silicio tipo p (della struttura p-i-n) e lo strato di ZnO tipo n, dovuto al lavoro di estrazione di ZnO significativamente inferiore rispetto a quello del materiale tipo p a base di silicio. È evidente che, al fine di sfruttare le maggiori proprietà di intrappolamento della luce dello ZnO testurizzato in natura rispetto a SnO2, è necessario ridurre lo strato di svuotamento in corrispondenza dell'interfaccia tra ZnO e lo strato a base di silicio tipo p e livellare, mediante strati interfacciali progettati, il lavoro di estrazione imperfetto che diminuisce la resistenza di contatto assieme all'aumento della tensione a circuito aperto (Voc) come beneficio di un migliore potenziale di giunzione integrato (Vbi).
Descrizione dell'invenzione
Scopo dell'invenzione è fornire un apparecchio a celle solari e un metodo per la formazione dello stesso che superi i difetti degli apparecchi a celle solari conosciuti.
All'interno di questo scopo, un ulteriore scopo dell'invenzione è fornire un apparecchio a celle solari nel quale l'errore (o disallineamento) di lavoro di estrazione dello strato di TCO/p-Si drogato sia ridotto, migliorando significativamente le prestazioni della cella solare.
Un altro scopo dell'invenzione è di superare il problema degli strati TCO a basso lavoro di estrazione, inclusa la fabbricazione di strati di ossido conduttivo trasparente tipo p.
Un altro scopo dell'invenzione è fornire un apparecchio a celle solari nel quale sia possibile sfruttare completamente proprietà ottiche migliori dei materiali dello strato di TCO come ZnO, senza ridurre la conduzione del carrier in corrispondenza dell'interfaccia.
Ancora un altro scopo dell'invenzione è fornire un metodo per la formazione di un apparecchio a celle solari che sia adeguato ad applicazioni di moduli fotovoltaici su aree ampie.
Questi e altri scopi sono raggiunti mediante la presente invenzione da un apparecchio a celle solari secondo la rivendicazione 1 e mediante un metodo per formare un apparecchio a celle solari secondo la rivendicazione 9.
Caratteristiche preferite dell'invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.
Si deve comprendere che secondo la presente invenzione è possibile ottenere uno strato di TCO a basso lavoro di estrazione, con migliore trasmittanza ottica e opacità controllabile.
Di conseguenza è possibile ottenere prestazioni migliorate, in particolare in termini di Voc.
Inoltre l'apparecchio a celle solari della presente invenzione consente un errore di lavoro di estrazione ridotto e una riduzione dello strato di svuotamento in corrispondenza dell'interfaccia ZnO/p-SiC.
Breve descrizione dei disegni
Queste e altre caratteristiche e altri vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione di alcune forme di realizzazione esemplificative e non limitative, da leggersi con riferimento ai disegni allegati, in cui:
la Fig. 1 è una una vista in sezione trasversale illustrativa e parziale di un apparecchio a celle solari secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione;
la Fig. 2 è una vista in sezione comprendente, su scala ingrandita, la sequenza dettagliata della struttura a multistrati graduati con droganti tipo p; la Fig. 3 è un diagramma di flusso di un metodo di formazione di un apparecchio a celle solari mediante PECVD secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione;
la Fig 4 è una vista schematica di un'apparecchiatura per PECVD,
la Fig. 5 è un grafico che mostra un rapporto di concentrazione di drogante e di silano durante la crescita dello strato nanocristallino in corrispondenza dell'interfaccia con lo strato di TCO;
la Fig. 6 è un grafico che mostra un confronto tra curve I-V illuminate in un modulo secondo la presente invenzione e in un modulo dell'arte antecedente; e la Fig. 7 è un grafico che mostra un confronto di curve J-I illuminate ottenute per una cella solare in tandem di piccola area secondo la presente invenzione e per celle solari secondo l'arte antecedente;
la Fig. 8 è un spettro di Diffrazione a Raggi X (XRD) di uno strato di Deposizione Chimica in fase Vapore a Bassa Pressione (LPCVD) ZnO:B progettato per una cella a-Si:H
la Fig. 9 è un disegno schematico della struttura a wurzite esagonale di ZnO.
Descrizione dettagliata dell'invenzione
Con riferimento inizialmente alla Fig. 1 un apparecchio a celle solari secondo la presente invenzione è indicato complessivamente con il numero di riferimento 100. Secondo una forma di realizzazione preferita, l'apparecchio a celle solari 100 comprende un substrato 101, preferibilmente prodotto con materiali polimerici o metallici o ceramici o materiali compositi o simili. Preferibilmente, il substrato 101 identifica una prima estremità 10 dell'apparecchio a celle solari 100 sopra la quale sono realizzati ulteriori strati.
Come sarà descritto in modo migliore nel seguito, in una forma di realizzazione, il substrato 101 può essere depositato mediante metodi di Deposizione Chimica da fase Vapore (CVD).
Secondo una forma preferita di realizzazione, l’apparecchio a celle solari comprende uno strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 e una struttura p-i-n 200.
Preferibilmente, la struttura p-i-n 200 comprende uno strato tipo p 103, uno strato tipo i 104, uno strato tipo n 105. Secondo una forma preferita di realizzazione, uno strato posteriore di metallo 106 è disposto sulla struttura p-i-n 200 e definisce una seconda estremità 20 dell'apparecchio a celle solari 100 opposta alla prima estremità 10.
Secondo una forma di realizzazione preferita, lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n, la struttura p-i-n 200 e lo strato posteriore di metallo 106 sono successivamente depositati sul substrato 101. Come schematicamente rappresentato nella Fig. 3, gli strati di cui sopra sono preferibilmente depositati mediante PECVD secondo alcune forme di realizzazione della presente invenzione, mediante un metodo globalmente rappresentato con il numero di riferimento 400.
Secondo una forma preferita di realizzazione, il metodo 400 è eseguito sul substrato 101 sopra il quale sono depositati ulteriori strati o regioni di materiali.
Preferibilmente, il substrato 101 è realizzato in qualsiasi materiale adeguato a supportare e migliorare una giunzione p-i-n e pertanto a collaborare positivamente nel generare l'apparecchio a celle solari 100. Il metodo 400 generalmente inizia in corrispondenza di 402 in cui lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 viene depositato sul substrato 101, preferibilmente mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD).
Secondo una forma preferita di realizzazione, lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 comprende qualsiasi materiale adeguato per fornire conduttività elettrica assieme a sufficiente trasparenza all'apparecchiatura. Come esempio, in alcune forme di realizzazione, lo strato di ossido conduttivo trasparente tipo- n (TCO) 102 comprende stannato di cadmio (Cd2SnO4), ossido di stagno (SnO), biossido di stagno (SnO2), ossido di zinco (ZnO), una combinazione degli stessi come ossido di indio-stagno (ITO) o simili.
Lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 comprende, in alcune forme di realizzazione, ulteriori droganti come boro (B), gallio (Ga), alluminio (Al), stagno (Sn).
Con riferimento alla Fig. 4, secondo una forma preferita di realizzazione, la deposizione è ottenuta mediante l’apparecchiatura per PECVD 600.
Il processo PECVD offre il beneficio intrinseco di avere la possibilità di produrre nella precedente fase 402 del metodo 400 uno strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n testurizzato naturale (asgrown) 102 che migliora l'assorbimento della luce aumentando l'intrappolamento della luce all'interno di esso. Secondo una forma preferita di realizzazione, regolando le condizioni di deposizione del metodo 400 raggiunte usando l'apparecchiatura per PECVD 600, e depositando ZnO come strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 è possibile controllare le proprietà di opacità ottica (dove opacità è il rapporto tra trasmittanza diffusa e totale attraverso il TCO) fino a valori superiori al 40% a una lunghezza d'onda di 550 nm rispetto all'arte antecedente.
È chiaro quindi che proprietà di opacità maggiori assieme a una buona trasmittanza permettono all'apparecchio a celle solari 100 di catturare più luce all'interno degli strati assorbenti e pertanto di migliorare la sua efficienza. Struttura cristallografica tipica per ZnO:B TCO per applicazione di celle solari a-Si. Lo spettro di diffrazione a raggi X mostra un forte orientamento cristallografico preferenziale, all'interno del piano ( ) parallelo alla superficie. Le posizioni di picco osservate per la Deposizione chimica da fase vapore (LPCVD) ZnO:B concorrono con la letteratura per gli strati ZnO che cristallizzano nella struttura a wurzite esagonale (tipo B4) e si adattano nel gruppo di spazio. L'asse di crescita cristallografica preferenziale è all'interno del piano ( ), parallelo al substrato. Questo orientamento preferenziale è tipico per la crescita del film di ZnO mediante LPCVD [Wenas 1991, Faÿ 2005] nell’intervallo di temperature (vale a dire 150 °C –200 °C) che producono film con una superficie ruvida, adeguata ad applicazioni di celle solari a film sottili. Una rappresentazione della posizione degli atomi nella cella elementare per la struttura a wurzite esagonale di ZnO richiede i seguenti parametri di reticolo a = 3,25 Å e c = 5,602 Å [Reeber 1970]. La struttura è composta di due sub-reticoli compatti vicini esagonali interpenetranti; atomi di zinco sono circondati da quattro atomi di ossigeno che formano una piramide tetraedrica, e viceversa. Questa coordinazione tetraedrica corrisponde al legame covalente sp3, ma questo materiale altresì ha un forte carattere ionico [Jagadish 2006]. A causa della non simmetria delle direzioni [0002] e [ ], questa struttura mostra due possibili polarità lungo l'asse C (vedere fig. 8 e 9).
Un ulteriore beneficio derivante dal deposito di ZnO come TCO sul substrato 101 è che questo materiale ceramico resiste meglio rispetto a SnO2a danni indotti da plasma di idrogeno sulle superfici mantenendo elevate caratteristiche trasmissive (parametri ottici ed elettrici tipici sono confrontati nella Tabella 1 elencata di seguito).
Spessore TCO Trasmittanza Opacità Resistenza Mobilità Concentraz (nm) Totale (media (@550 nm) del foglio ione di 400-100 nm) (ohm/sq) Veicolo (cm<-3>)
SnO2:F Off 700 84 10% 8,3 25 3,00E+20 line TCO
MOCVD 1700 86 15% 15 32 1,00E+20 ZnO:B
Tabella I: Tabella di confronto proprietà ottiche ed elettriche. Sono confrontati SnO2:F vs ZnO:B TCO.
Con riferimento nuovamente alle Figg. 1-3, la struttura p-i-n 200 comprendente lo strato tipo p 103, lo strato tipo i 104 e lo strato tipo n 105 viene depositata in corrispondenza di 500 del metodo 400 sullo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 preferibilmente mediante PECVD.
Lo strato tipo p 103 è prodotto di conseguenza nella fase 103 del metodo 400.
Preferibilmente, per migliorare l'assorbimento di fotoni dello strato tipo i 104, lo strato tipo p 103 è prodotto con SiC o SiOx o SixNy o una combinazione degli stessi.
In una forma di realizzazione, Si, SiC o SiOx sono strati amorfi idrogenati. Si deve notare che SiC, SiOx o SixNy sono vantaggiosamente usati grazie al loro maggior scarto energetico che assicura un’elevata trasmittanza di fotoni con energia vicino allo scarto energetico a-Si:H.
Sarà altresì evidente che nonostante la generazione di fotocorrente più elevata, rispetto a maggiore luce intrappolata negli strati di silicio, la fabbricazione della struttura p-i-n 200 con giunzioni singole (a-Si:H) o doppie (a-Si:H/µc-Si:H) l'apparecchio a celle solari 100 su ZnO come strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 risulta in un minore fattore di riempimento (FF) e tensione a circuito aperto (Voc) significativamente inferiore. Essenzialmente, un contatto rettificante è formato tra lo strato tipo p 103 e lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 perché il lavoro di estrazione di ZnO è significativamente inferiore rispetto allo strato tipo p 103: il lavoro di estrazione ZnO è di circa 4,65eV mentre quella di Si amorfo, generalmente compresa nello strato tipo p 103, è 4,9eV o anche oltre. Diversamente, il lavoro di estrazione di SnO2TCO è di circa 4,9eV, vale a dire ben allineata con il semiconduttore a base di silicio con strato tipo p 103 (o a base di SiC o SiOx o SixNy). È evidente che al fine di sfruttare le maggiori proprietà di intrappolamento della luce dello ZnO testurizzato rispetto a SnO2è necessario ridurre lo strato di svuotamento in corrispondenza dell'interfaccia tra lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 se a base di ZnO e lo strato tipo p 103. Lo strato tipo p comprende strutture amorfe, microcristalline o nanocristalline o una combinazione delle stesse con la possibilità di manifestare differenti livelli di concentrazioni di droganti all'interno per aumentare la raccolta di carica.
Secondo una forma preferita di realizzazione, i droganti compresi nello strato tipo p 103 sono, ad esempio, elementi del gruppo III come boro (B), alluminio (Al), gallio (Ga) e combinazione degli stessi. Inoltre preferibilmente, i gas precursori contenenti B sono usati per la loro caratteristica di essere usati e maneggiati più facilmente e in modo più sicuro rispetto all'Al o al Ga durante i processi di deposizione al plasma.
Per ridurre l'elevata resistenza al contatto tra lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 (preferibilmente a base di ZnO) e lo strato tipo p 103 per aumentare la Voc a causa del potenziale integrato di giunzione (Vbi) aumentato, viene prodotto un sottile strato tipo p altamente drogato comprendente una fase nanocristallina che permette di ridurre l’errore di lavoro di estrazione dello strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 (preferibilmente a base di ZnO)/ strato a base di Si dello strato tipo p 103, migliorando significativamente le prestazioni dell’apparecchio a celle solari 100.
In effetti, in questo modo è possibile sfruttare completamente le migliori proprietà ottiche dei materiali TCO come ZnO, senza ridurre la conduzione del portatore (carrier) in corrispondenza dell'interfaccia dello strato tipo p 103.
Nell'apparecchio a celle solari della presente invenzione, lo strato tipo p 103 comprende una struttura a multistrati graduati con droganti di tipo p 3 avente un profilo di concentrazione di droganti che varia in funzione dello spessore di detta struttura 3, permettendo così di guadagnare una diminuzione di potenziale graduale in funzione dello spessore variabile.
A questo scopo, in corrispondenza di 303 del metodo 400 la struttura a multistrati graduati con droganti di tipo p 3, compresa nello strato tipo p 103, è prodotta sullo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102.
La Fig. 2 è una vista in sezione comprendente, su scala ingrandita, la sequenza dettagliata della struttura a multistrati graduati con droganti di tipo p.
Secondo una forma preferita di realizzazione, in 303a un primo strato tipo p microcristallino o nanocristallino 3a è depositato sullo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102. Preferibilmente, il primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a è scelto con una struttura di reticolo cristallografico architetturale specifica avente una resistività elettrica significativamente inferiore rispetto a uno strato equivalente tipo p 103 a base di silicio con una struttura cristallografica amorfa assieme a proprietà ottiche molto buone.
Al fine di depositare positivamente il primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a durante 303a i parametri di processo dell'apparecchiatura per PECVD 600 sono vantaggiosamente ben controllati, monitorati e regolati. In particolare, durante 303a è vantaggiosamente definito un rapporto H2/SiH4abbastanza basso per minimizzare il tempo di incubazione dovuto a modificazione di superficie ZnO indotta da H2. In questo modo è possibile evitare la formazione di micro o nanocristalliti di nucleazione a bassa densità e elevata abbastanza per avere una fase di completa coalescenza di nano o microcristalli senza la presenza di fasi amorfe all'interno. I valori preferiti di SiH4/(SiH4+ H2) o H2/SiH4sono circa 0,5% e B2H6/(SiH4+ B2H6) circa 8%.
In alcune forme di realizzazione, un secondo strato tipo p amorfo 3b comprende silicio (Si), silicio e idrogeno (Si-H) o simile. Preferibilmente, il tasso di deposizione usato durante 303a per il deposito del primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a con una concentrazione di droganti designata è sufficientemente elevato per diminuire lo strato di accumulo indotto da H2il quale aumenta la zona di svuotamento: questa caratteristica di processo è regolata dal flusso SiH4impostato a 0,36 slm e la potenza di dispositivo di generatore di plasma impostata e 0,1 W/cm<2>. In alcune forme di realizzazione in cui il drogante è un composto di boro, precursori comprendenti trimetilboro (B(CH3)3o TMB), diborano (BH3)2, trifluoruro di boro (BF3), trietilboro (B(C2H5)3o TEB) o simili sono vantaggiosamente usati. Per raggiungere un adeguato drogaggio del primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a con una concentrazione di droganti designata flussi B2H6o TMB devono essere controllati nell'intervallo da 0 a 100 sccm con il flusso SiH4costruttivamente impostato a 5 slm e H2a 100 slm. Per raggiungere un drogaggio adeguato del sottile strato di interfaccia micro o nano il flusso B2H6o TMB deve essere controllato nell'intervallo da 0 a 100 sccm quando SiH4è variato da 0 a 5 slm e H2da 0 a 100 slm. Altri tipi di droganti come arsenico potrebbero essere usati per drogare attivamente lo strato tipo p anche se l'uso di boro risulta essere il più praticabile quando associato alle tecniche PECVD.
Secondo una forma di realizzazione preferita, un intervallo ottimale di concentrazione di boro drogante nel primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a è tra 1E19 e 5E20 at/cm<3>. Come esempio quando è usato B2H6il rapporto B2H6/SiH4nell'intervallo tra 1E-2 e 1E-4 deve essere usato per prestazioni ottimali con le strutture cristallografiche desiderate.
Preferibilmente, lo spessore del primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a è formato con una prima concentrazione di drogante. Preferibilmente, l'intervallo dello spessore del primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a prodotto secondo 303a è tra 3 e 10 nm con un tempo di deposizione inferiore ai 30 sec (dato un tasso di crescita di deposizione di circa 6 nm/min fino a 20 nm/min) Questo permette un buon compromesso tra trasmissione della luce e prestazioni elettriche. Al di sopra di questi spessori l’assorbimento di luce da parte dello strato cristallino avrà un impatto significativo sulla densità di Corrente di celle in Tandem (Jsc) e sulla resistenza di serie delle celle collegate monoliticamente, al di sotto di tali valori il miglioramento di allineamento del lavoro di estrazione andrà perso. Secondo una forma di realizzazione preferita, un valore di spessore del primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a è di circa 7 nm. È importante sottolineare che al di sopra di questi valori di spessore l'assorbimento della luce dal primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a diminuisce con la riduzione della densità di corrente di celle in tandem (Jsc) e con l'aumento della resistenza di serie dell'apparecchio a celle solari 100, mentre al di sotto di questi valori di spessore il miglioramento dell'allineamento del lavoro di estrazione tra il primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a a base di silicio e lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n 102 a base di silicio è fondamentalmente perso. Preferibilmente, le temperature di deposizione in corrispondenza di 303a sono nell'intervallo di quasi 150 e 190°C.
Successivamente, in corrispondenza di 303b del metodo 400, un secondo strato tipo p amorfo 3b con una seconda concentrazione di drogante è depositato sul primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a come mostrato nei dettagli della Fig. 2.
Preferibilmente, il primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a rappresenta una struttura di interfaccia interposta tra il TCO e il secondo strato tipo p amorfo 3b.
Il secondo strato tipo p amorfo 3b comprende qualsiasi materiale adeguato a produrre caratteristiche necessarie per formare la struttura p-i-n 200. In alcune forme di realizzazione il secondo strato tipo p amorfo 3b comprende silicio (Si), carburo di silicio (SiC) o simile. Inoltre la concentrazione di droganti all'interno del secondo strato tipo p amorfo 3b è variata rispetto a quella del primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a. Preferibilmente quando è usato boro (B) come drogante, valori adeguati di SiH4/(SiH4+ H2) o H2/SiH4sono circa il 5% e di B2H6/(SiH4+ B2H6) circa 6%.
Secondo una forma di realizzazione, il secondo strato tipo p amorfo 3b mostra un gradiente di concentrazione di droganti in funzione del suo spessore.
In forme di realizzazione in cui il drogante è un composto di boro sono vantaggiosamente usati precursori comprendenti trimetilboro (B(CH3)3o TMB), diborano (BH3)2, trifluoruro di boro (BF3), trietilboro (B(C2H5)3o TEB) o simili. Per raggiungere un adeguato drogaggio del secondo strato tipo p amorfo 3b con una concentrazione designata di droganti i flussi B2H6sono preferibilmente controllati nell'intervallo del 2-10%. In particolare un intervallo vantaggioso per la concentrazione di drogante di boro nel secondo strato tipo p amorfo 3b è tra il 5 e l’8%. Come esempio, quando è usato B2H6come gas precursore 30 - 60 sccm genera le strutture cristallografiche desiderate.
In alcune forme di realizzazione il secondo strato tipo p amorfo 3b ha uno spessore nell'intervallo di 3-10 nm, con uno spessore vantaggioso di quasi 6 nm, avente un intervallo di deposizione simile a quello usato per produrre il primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a (vale a dire tra 6 nm/min e 20 nm/min). Le dimensioni dei cristalliti nel secondo strato tipo p amorfo 3b risultano significativamente ridotte rispetto a quelle contenute nel primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a come conseguenza di un aumento di flusso di SiH4/(SiH4+ H2) all'interno del reattore per PECVD.
Le tipiche temperature di deposizione in corrispondenza della fase 303b sono nell'intervallo di 160 e 200°C. Successivamente alla fase 303c del metodo 400, un terzo strato tipo p amorfo 3c con una terza concentrazione di drogante è depositato sul secondo strato tipo p amorfo 3b come mostrato nei dettagli della figura 2.
Secondo una forma di realizzazione preferita, il terzo strato tipo p amorfo 3c comprende qualsiasi materiale adeguato a produrre le caratteristiche necessarie per formare la struttura p-i-n 200. In alcune forme di realizzazione il terzo strato tipo p amorfo 3c comprende silicio (Si), carburo di silicio (SiC) o simile. Inoltre, la concentrazione di droganti all'interno del terzo strato tipo p amorfo 3c è variata rispetto a quella del secondo strato tipo p amorfo 3b. Preferibilmente quando è usato boro (B) come drogante, valori adeguati di SiH4/(SiH4+ H2) sono circa il 9% e di B2H6/(SiH4+ B2H6) circa il 4,8%.
In forme di realizzazione in cui il drogante è un composto di boro, sono vantaggiosamente usati precursori comprendenti trimetilboro (B(CH3)3o TMB), diborano (BH3)2, trifluoruro di boro (BF3), trietilboro (B(C2H5)3o TEB) o simili. Per raggiungere un adeguato drogaggio del terzo strato tipo p amorfo 3c con una concentrazione designata di flussi B2H6droganti è preferibilmente controllato nell'intervallo di 30-60 sccm. In particolare un intervallo ottimale per la concentrazione di drogante di boro nel terzo strato tipo p amorfo 3b è tra il 3% e il 7%. Come esempio, quando è usato B2H6come gas precursore con 50 sccm esso genera le strutture cristallografiche desiderate.
In alcune forme di realizzazione il terzo strato tipo p amorfo 3c ha uno spessore compreso tra quasi 5 e 10 nm con una velocità di deposizione inferiore rispetto a quella impostata per depositare il secondo strato tipo p amorfo 3b compresa tra quasi 2 nm/min e 10 nm/min. Preferibilmente, le dimensioni dei cristalliti nel terzo strato tipo p amorfo 3c risultano significativamente ridotte rispetto a quelle contenute nel secondo strato tipo p amorfo 3b come conseguenza di un aumento di flusso di SiH4/(SiH4+ H2) all'interno del reattore per PECVD.
Le temperature di deposizione preferite in corrispondenza di 303a sono nell'intervallo di circa 180 e 200°C.
Successivamente, nella fase 303d del metodo 400, un quarto strato tipo p amorfo 3d con una quarta concentrazione di drogante è depositato sul terzo strato tipo p amorfo 3c come mostrato nei dettagli nella figura 2.
Il quarto strato tipo p amorfo 3d comprende qualsiasi materiale adeguato a produrre le caratteristiche necessarie per formare la struttura p-i-n 200. In alcune forme di realizzazione il quarto strato tipo p amorfo 3d comprende silicio (Si), carburo di silicio (SiC) o simile. Secondo una forma di realizzazione preferita, la concentrazione di droganti all'interno del quarto strato tipo p amorfo 3d è variata rispetto a quella del terzo strato tipo p amorfo 3c. Preferibilmente quando è usato boro (B) come drogante, valori adeguati di SiH4/(SiH4+ H2) o H2/SiH4sono circa il 6,0% e di B2H6/(SiH4+ B2H6) circa il 2,0%. In alcune forme di realizzazione in cui il drogante è un composto di boro sono vantaggiosamente usati precursori comprendenti trimetilboro (B(CH3)3o TMB), diborano (BH3)2, trifluoruro di boro (BF3), trietilboro (B(C2H5)3o TEB) o simili. Per raggiungere un adeguato drogaggio del quarto strato tipo p amorfo 3d con una concentrazione designata di droganti flussi i flussi di B2H6o TMB sono preferibilmente controllati nell'intervallo di 10-30 sccm. Secondo una forma di realizzazione preferita, un intervallo ottimale di concentrazione di boro drogante nel quarto strato tipo p amorfo 3d è tra 1E19 e 5E20 at/cm<3>. Come esempio, quando è usato B2H6come gas precursore con un flusso di circa 20 sccm esso genera le strutture cristallografiche desiderate. In alcune forme di realizzazione il quarto strato tipo p amorfo 3d ha uno spessore compreso tra quasi 2 fino a 10 nm. Preferibilmente, il tasso di deposizione è maggiore di quello del deposito del terzo strato tipo p amorfo 3c. Ancora più preferibilmente, il tasso di deposizione è compreso tra quasi 1nm/min e 6nm/min Secondo una forma di realizzazione preferita, le dimensioni dei cristalliti nel quarto strato tipo p amorfo 3d risultano significativamente aumentate rispetto a quelle contenute nel terzo strato tipo p amorfo 3c come conseguenza di un aumento di flusso di SiH4/(SiH4+ H2) all'interno del reattore per PECVD. Le temperature di deposizione preferite in corrispondenza di 303c sono nell'intervallo di circa 180-200°C.
In alcune forme di realizzazione, quando è scelto il boro (B) come drogante la sua concentrazione varia dal valore massimo nel primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino 3a al valore minimo nel quarto strato tipo p amorfo 3d denotano un profilo di concentrazione di boro discendente.
Successivamente, nella fase 404 del metodo 400, lo strato tipo i 104 compreso nella struttura p-i-n 200 (realizzata secondo la fase 500) è depositato sul quarto strato tipo p amorfo 3d come mostrato nelle Figg. 1 e 2. Preferibilmente lo strato tipo i 104 comprende una fase amorfa e, secondo una forma di realizzazione preferita, mostra uno spessore compreso tra 200 e 300 nm. In alcune forme di realizzazione, lo strato tipo i 104 comprende silicio (Si), carburo di silicio (SiC), silicio e idrogeno (Si-H) o simili.
La concentrazione di SiH4/(SiH4+ H2) è preferibilmente il 6,3% e il rapporto SiH4/H2è preferibilmente 15 per assicurare la nanostruttura appropriata dello strato amorfo intrinseco.
Successivamente nella fase 405 del metodo 400, lo strato tipo n 105 compreso nella struttura p-i-n 200 (realizzata secondo la fase 500) è depositato sullo strato tipo i 104 come mostrato nella Fig. 1 e 2. Preferibilmente, lo strato tipo n 105 comprende una fase amorfa e, secondo una forma di realizzazione preferita, mostra uno spessore compreso tra 10 e 20 nm. In alcune forme di realizzazione, lo strato tipo n 105 comprende silicio (Si), carburo di silicio (SiC), silicio e idrogeno (Si-H) e simili. Il rapporto SiH4/(SiH4+ H2) è del 10% per il deposito totale ed è ridotta fino a 0,7% in corrispondenza dell'interfaccia con la giunzione n-p microcristallina.
Secondo una forma di realizzazione preferita, lo strato tipo n 105 comprende droganti adatti ad aumentare la raccolta di carica e pertanto ad aumentare l'efficienza dell'apparecchio a celle solari 100. Esempi di droganti adeguati sono elementi del gruppo V come fosforo (P), arsenico (As), antimonio (Sb) o simili.
Successivamente nella fase 405 uno strato posteriore di metallo 106 è depositato sullo strato tipo n 105 compreso nella struttura p-i-n 200 come mostrato nelle figure 1 e 2. Secondo una forma di realizzazione preferita, lo strato posteriore di metallo 106 comprende qualsiasi materiale adatto come ossido di zinco (ZnO), alluminio (Al), titanio (Ti), oro (Au), rame (Cu), argento (Ag), platino (Pt), cromo (Cr), leghe degli stessi, combinazioni degli stessi, o simili.
Preferibilmente, lo strato posteriore di metallo 106 ha uno spessore adeguato al fine di collaborare positivamente all'interno dell'apparecchio a celle solari 100 al fine di mantenere le caratteristiche fotovoltaiche desiderate del dispositivo. Preferibilmente, lo strato posteriore di metallo 106 ha uno spessore compreso tra 50 e 200 nm.
Preferibilmente, lo strato posteriore di metallo 106 è formato mediante qualsiasi tecnica di deposizione adatta come CVD o PVD o simili secondo gli insegnamenti descritti: ad esempio in alcune forme di realizzazione lo strato posteriore di metallo 106 è formato mediante PECVD o, in alcune altre, mediante polverizzazione a magnetron (magnetron sputtering).
Dopo la deposizione dello strato posteriore di metallo 106, il metodo 400 generalmente è concluso e l'apparecchio a celle solari 400 è adatto a essere ulteriormente trattato mediante qualsiasi tecnica desiderata volta a rifinire o completare l'apparecchio a celle solari 100.
L'invenzione pertanto rimedia al problema posto e allo stesso tempo offre diversi vantaggi, ivi incluso ottenere un TCO di lavoro di estrazione inferiore, con migliore trasmittanza ottica e opacità controllabile.
Inoltre, l'apparecchio e il metodo della presente invenzione aumentano la tensione a circuito aperto (Voc) e quindi migliorano la resistenza di contatto tra lo strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) e lo strato a base di silicio p-drogato di una struttura pi-n compresa in detto apparecchio a celle solari.
Con una adeguatamente progettata struttura a multistrati graduati con droganti tipo p è possibile essere in grado di aumentare significativamente la Voc grazie a un ridotto errore di lavoro di estrazione e a una riduzione dello strato di svuotamento dell'interfaccia TCO/p-SiC.
Un confronto tra un apparecchio a celle solari secondo la presente invenzione e l'arte antecedente rilevante è rappresentato nella Fig. 6 che mostra le curve I-V sotto illuminazione AM1.5G a 1 sole (1 sun) per due moduli con una configurazione di cella solare in tandem e un TCO anteriore ZnO:B di circa 1300 nm con opacità del 20% a 550 nm. Il modulo precedente non ha strato di interfaccia tra lo strato di TCO a base di ZnO e un a-Si tipo p, quest’ultimo ha la struttura a multistrati graduati con droganti di tipo p della presente invenzione.
Si apprezzerà che l'uso della struttura a multistrati graduati con droganti di tipo p proposta migliora l'I-V della cella con contatto anteriore ZnO:B. La Voc è significativamente aumentata, di più del 2% (corrispondente a ~1,5V nel nostro modulo di ampia superficie). Inoltre, grazie al miglioramento della resistenza di contatto il fattore di riempimento è migliorato. Il miglioramento di interfaccia ha certamente aumentato la potenza massima del modulo con contatto anteriore ZnO:B di più di 5W.
Inoltre, analizzando le proprietà intrinseche su celle di piccole zone come mostrato nella Fig. 7, è possibile osservare che lo strato di interfaccia nanocristallino proposto può significativamente migliorare la Voc e il fattore FF della cella solare. Ciononostante, l'inserimento dello strato sottile nanocristallino con piccoli spazi vuoti può leggermente ridurre la corrente Jsc grazie a un certo assorbimento nello strato sottile drogato. Tuttavia i superiori FF e Voc portano a un chiaro vantaggio rispetto al caso di ZnO non dotato di struttura a multistrati graduati con droganti tipo p. La Fig. 7 altresì mostra che l'inserimento della struttura a multistrati graduati con droganti tipo p porta a valori di FF e Voc simili a quelli delle celle solari con SnO2:F TCO che hanno un più favorevole lavoro di estrazione rispetto a ZnO, e di solito mostrano effetti rettificanti minori e quindi migliore resistenza di contatto.

Claims (16)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio a celle solari (100) comprendente: - un substrato (101); - uno strato di ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n (102) depositato su detto substrato (101); - una struttura p-i-n (200) comprendente - uno strato tipo p (103) - uno strato tipo i (104) - detto strato tipo n (105) - uno strato posteriore metallico (106) depositato su detto strato tipo n (105) di detta struttura p-i-n (200); caratterizzato dal fatto che detto strato tipo p (103) comprende una struttura a multistrati graduati con droganti tipo p (3) avente un profilo di concentrazione di droganti che varia in funzione dello spessore di detta struttura a multistrati graduati con droganti tipo p (3).
  2. 2. Apparecchio a celle solari (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura a multistrati graduati con droganti tipo p (3) comprende boro (B) come elemento drogante.
  3. 3. Apparecchio a celle solari (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta struttura a multistrati graduati (3) comprende: - un primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino (3a), - un secondo strato tipo p amorfo (3b).
  4. 4. Apparecchio a celle solari (100) secondo la rivendicazione 3, in cui detta struttura a multistrati graduati (3) comprende: - un terzo strato tipo p amorfo (3c), - un quarto strato tipo p amorfo (3d), - detti secondo, terzo e quarto strato tipo p amorfi (3b, 3c, 3d) avendo differenti concentrazioni di droganti.
  5. 5. Apparecchio a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui la concentrazione di boro in detta struttura a multistrati graduati (3) è ridotta, passando da un valore massimo in detto primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino (3a) ad un valore minimo in detto quarto strato tipo p amorfo (3d).
  6. 6. Apparecchio a celle solari (100) secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detto terzo strato tipo p amorfo (3c) comprende una dimensione media di cristalliti minore rispetto a detto quarto strato tipo p amorfo (3d) e detto quarto strato tipo p amorfo (3d) comprende una dimensione media di cristalliti minore rispetto a detto secondo strato tipo p amorfo (3b).
  7. 7. Apparecchio a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui detto primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino (3a) comprende silicio (Si) o carburo di silicio (SiC).
  8. 8. Apparecchio a celle solari (100) secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 7, in cui detto secondo strato tipo p amorfo (3b), detto terzo strato tipo p amorfo (3c) e detto quarto strato tipo p amorfo (3d) comprendono silicio (Si) o carburo di silicio (SiC) o silicio e idrogeno (Si-H).
  9. 9. Metodo (400) per formare un apparecchio a celle solari (100) comprendente: - depositare un ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n (102) su un substrato mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD); - formare una struttura p-i-n (200) comprendente: - depositare uno strato tipo p (103) su detto ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n (102) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD); - depositare uno strato tipo i (104) su detto strato tipo p (103) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD); - depositare uno strato tipo n (105) su detto strato tipo i (104) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD); in cui depositare detto strato tipo p (103) compreso in detta struttura p-i-n (200) include formare una struttura a multistrati graduati con droganti tipo p (3) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD).
  10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9 in cui formare una struttura a multistrati graduati con droganti tipo p (3) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD) comprende: - depositare un primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino (003a) con una prima concentrazione di droganti su detto ossido conduttivo trasparente (TCO) tipo n (102) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD); - depositare un secondo strato tipo p amorfo (3b) con una seconda concentrazione di droganti su detto primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino (3a) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD).
  11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10, comprendente: - depositare un terzo strato tipo p amorfo (3c) con una terza concentrazione di droganti su detto secondo strato tipo p amorfo (3b) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD); - depositare un quarto strato tipo p amorfo (3d) con una quarta concentrazione di droganti su detto terzo strato tipo p amorfo (3c) mediante deposizione chimica da fase vapore assistita dal plasma (PECVD).
  12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui detta quarta concentrazione di droganti è inferiore a detta terza concentrazione di droganti, la quale è inferiore a detta seconda concentrazione di droganti la quale è inferiore a detta prima concentrazione di droganti.
  13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui detto terzo strato tipo p amorfo (3c) viene depositato ottenendo una dimensione media di cristalliti minore rispetto a detto quarto strato tipo p amorfo (3d) e detto quarto strato tipo p amorfo (3d) viene depositato ottenendo una dimensione media di cristalliti minore rispetto a detto secondo strato tipo p amorfo (3b).
  14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta struttura a multistrati graduati con droganti tipo p (3) è formata con flussi con rapporto SiH4/(SiH4+ H2) variabile.
  15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui detto primo strato tipo p nanocristallino o microcristallino (3a) compreso in detta struttura a multistrati graduati con droganti tipo p (3) è formato con flussi con rapporto SiH4/(SiH4+ H2) impostato su un valore inferiore a quello usato per produrre detto secondo strato tipo p amorfo (3b), detto secondo strato tipo p amorfo (3b) è formato con flussi con rapporto SiH4/(SiH4+ H2) impostato su un valore inferiore a quello usato per produrre detto terzo strato tipo p amorfo (3c) e detto terzo strato tipo p amorfo (3c) è formato con flussi con rapporto SiH4/(SiH4+ H2) impostato su un valore superiore a quello usato per produrre detto quarto strato tipo p amorfo (3d).
  16. 16. Metodo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 15 comprendente inoltre depositare uno strato posteriore di metallo (106) su detta struttura p-i-n (200).
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