ITMI20131297A1 - Cella fotovoltaica con banda proibita variabile - Google Patents

Description

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DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale al settore delle celle fotovoltaiche, ed in particolare alle celle fotovoltaiche per radiazione solare (celle solari).

5 Le celle solari sono componenti elettronici in grado di convertire energia elettromagnetica - quale la radiazione solare - in elettricità.

Tali componenti elettronici sono costituiti principalmente da materiali a semiconduttore, i quali sono caratterizzati da strutture cristalline solide aventi bande proibite d’energia (in inglese “energy gaps”) poste tra le bande di valenza e le bande 10 di conduzione. Una banda proibita definisce un intervallo di energia normalmente interdetto agli elettroni liberi. Tuttavia, quando la radiazione solare colpisce un materiale di questo tipo, gli elettroni che occupano delle bande d’energia inferiori possono essere eccitati fino al punto di compiere un salto energetico e superare la banda proibita, per raggiungere bande d’energia superiori. Per esempio, quando degli 15 elettroni nella banda di valenza di un semiconduttore assorbono un’energia sufficiente dai fotoni della radiazione solare incidente, tali elettroni possono superare la banda proibita e raggiungere la banda di conduzione.

Raggiungendo le bande d’energia superiori, tali elettroni lasciano delle posizioni vuote nelle bande d’energia inferiori; dette posizioni vuote, definite in 20 gergo con il termine di “lacune”, possono muoversi da atomo ad atomo nel reticolo cristallino. Le lacune agiscono quindi come portatori di carica, allo stesso modo degli elettroni liberi nella banda di conduzione, e contribuiscono alla conduttività del cristallo.

In altre parole, ciascun fotone assorbito dal semiconduttore dà origine ad 25 una coppia lacuna-elettrone corrispondente. L’insieme delle coppie lacune-elettroni I13050-IT / MV

formate dall’assorbimento dei fotoni dà origine alla cosiddetta fotocorrente della cella solare. Le lacune e gli elettroni generati in questo modo possono però ricombinarsi, sottraendo il proprio contributo al mantenimento della fotocorrente. Per evitare (o quantomeno ridurre il più possibile) questo fenomeno allo scopo di 5 incrementare l’efficienza della cella solare, nel materiale semiconduttore viene generato un campo elettrico locale. In questo modo, le lacune e gli elettroni generati a seguito dell’assorbimento dei fotoni risultano essere accelerati dal campo elettrico locale in direzioni opposte, e quindi la probabilità che essi si ricombinino prima di raggiungere i terminali della cella solare viene diminuita in maniera drastica. In 10 particolare, tale campo elettrico viene originato mediante la generazione di una regione di carica spaziale, quale la zona di svuotamento ottenibile mediante la creazione di una giunzione pn tra una coppia di materiali semiconduttori drogati in maniera opposta.

Le celle solari possono essere a singola giunzione pn o np, o 15 monogiunzione, oppure a più giunzioni pn o np, nel qual caso sono chiamate celle multigiunzione.

Le celle solari monogiunzione sono sostanzialmente costituite dalla presenza di una sola giunzione pn o np. Al contrario, le celle solari multigiunzione sono realizzate sovrapponendo varie giunzioni pn o np, attualmente da due sino a 20 cinque giunzioni. Le diverse giunzioni sono realizzate in materiali semiconduttori diversi, e sono collegate tra loro in serie elettricamente, per mezzo di diodi tunnel interposti fra ciascuna coppia di giunzioni adiacenti.

Ciascuna delle diverse giunzioni sovrapposte forma una cosiddetta cella elementare, e le varie celle elementari sono in grado di convertire singolarmente le 25 varie parti dello spettro della radiazione incidente, in modo più efficiente di quanto I13050-IT / MV

non sia possibile con una singola giunzione.

Le celle multigiunzione hanno il vantaggio di poter fornire una tensione d’uscita più elevata rispetto alle celle monogiunzione, la tensione complessiva essendo pari alla somma delle tensioni delle singole celle elementari (meno una 5 piccola caduta di tensione nei diodi tunnel che collegano le celle in serie).

Nel corso degli ultimi anni si è assistito al progressivo aumento delle prestazioni delle celle solari formate da materiali semiconduttori basati su composti di elementi dei gruppi III e V della tavola periodica degli elementi, d’ora in avanti denominati semplicemente “materiali III-V”, ed in particolare delle celle solari al 10 GaAs, e ciò proprio grazie al progredire di tecnologie che hanno permesso di sviluppare nuovi materiali con cui realizzare celle solari a tre, quattro e persino cinque giunzioni.

Il costo di una cella solare multigiunzione è di poco superiore a quello di una cella monogiunzione, e la sua efficienza è molto superiore (in condizioni di 15 i l luminazione fuor i da l l ' a tmosfera te r res t re e a 25 °C, l ’ef f ic ienza è approssimativamente pari al 30% per una cella a tripla giunzione, contro il 20% di una a singola giunzione); per questo motivo, soprattutto per applicazioni in ambito aerospaziale, il mercato si è indirizzato verso l’impiego di questi nuovi, più efficienti dispositivi. Ad esempio, gli attuali grandi satelliti per telecomunicazioni richiedono 20 l’impiego di celle solari a tripla giunzione. Queste celle trovano peraltro impiego anche in applicazioni terrestri, quali ad esempio nei sistemi a concentrazione ottica.

Per la loro realizzazione, i vari strati di materiale destinati a formare le giunzioni di una cella solare sono tipicamente ottenuti con la tecnica di crescita epitassiale mediante deposizione (ad esempio mediante la tecnica della deposizione 25 chimica da fase vapore con precursori metallorganici, o MOCVD) su substrati I13050-IT / MV

commerciali. Per la realizzazione di celle solari in materiali III-V, i materiali più usati come substrato sono il germanio (Ge) e l’arseniuro di gallio (GaAs). Altri materiali utilizzabili come substrato comprendono ad esempio il silicio (Si).

Fabbricare una cella solare crescendo epitassialmente uno o più strati su un 5 substrato mediante deposizione necessita che i materiali degli strati da crescere abbiano un passo reticolare compatibile con quello del materiale che forma il substrato. Se infatti si crescesse uno strato di materiale avente un passo reticolare molto diverso da quello del materiale del substrato, durante l’operazione di deposizione si creerebbero difetti cristallografici (in gergo, “dislocazioni”) tali da 10 degradare notevolmente le proprietà opto-elettroniche e di trasporto delle giunzioni della cella solare risultante.

Il summenzionato vincolo di compatibilità di passo reticolare limita la scelta dei materiali III-V che possono essere impiegati nelle attuali celle solari – ad esempio nelle celle solari a tripla giunzione con substrato in Ge - ostacolando lo 15 sviluppo di nuove celle solari dotate di efficienze migliori di quelle attualmente sviluppate. Infatti, la necessità di scegliere materiali con un passo reticolare compatibile con quello del substrato, rende difficoltosa la realizzazione di nuove strutture in cui le giunzioni sono realizzate con materiali le cui bande proibite permettono una conversione migliore dello spettro solare.

20 Allo scopo di incrementare l’efficienza delle celle solari formate da materiali III e V, una soluzione nota prevede di utilizzare anche materiali aventi passi reticolari non compatibili con il passo reticolare del substrato, inserendo tra ciascuna coppia di strati di materiali aventi passi reticolari non compatibili una struttura di adattamento ad hoc atta a confinare in essa i difetti cristallografici, prevenendo il 25 degrado delle prestazioni della cella solare. Ciascuna struttura di adattamento è I13050-IT / MV

realizzata tra una prima giunzione avente un primo passo reticolare ed una seconda giunzione avente un secondo passo reticolare (diverso dal primo) in una regione fotovoltaicamente non attiva della cella, tipicamente tra la prima giunzione ed il diodo tunnel che la collega alla seconda giunzione. La struttura di adattamento è 5 tipicamente realizzata mediante una sequenza di strati di uno stesso materiale (ad esempio InGaAs, InGaP, AlInGaP). Ciascuno strato ha un rispettivo passo reticolare (costante in tutto lo strato), con il primo strato della sequenza (a contatto con la prima giunzione) che ha un passo reticolare uguale a quello del materiale che forma la prima giunzione, con i successivi strati intermedi che hanno passi reticolari via via 10 sempre più vicini al passo reticolare del materiale che forma la seconda giunzione, ed un ultimo strato (a contatto con il diodo tunnel) che ha un passo reticolare uguale a quello del materiale che forma la seconda giunzione. I passi reticolari dei vari strati sono impostati regolando in ciascuno strato la concentrazione di due degli elementi che formano il composto del materiale di tale strato. Attualmente però non vi è 15 ancora evidenza che queste strutture siano anche in grado di prevenire la propagazione dei difetti cristallografici nelle altre zone della cella solare durante la propria vita operativa. Per esempio le variazioni di temperatura subite dalla cella solare nel corso della propria vita operativa inducono sollecitazioni meccaniche nei materiali che la costituiscono, tali da permettere la propagazione dei difetti 20 cristallografici – inizialmente confinati nelle strutture di adattamento - all’intera struttura della cella solare.

E’ inoltre noto fabbricare celle solari comprendenti almeno una giunzione includente uno strato di materiale basato su un composto di Indio (In), Gallio (Ga) e Fosforo (P) - ovvero InGaP - o di In, Ga e Arsenico (As) - ovvero InGaAs – con una 25 concentrazione uniforme di In lungo tutta la profondità dello strato. Aumentando tale I13050-IT / MV

concentrazione uniforme di In nel materiale di almeno uno dei due strati formanti una giunzione, è noto che la banda proibita corrispondente diminuisce. Dato che al diminuire della banda proibita, la porzione di spettro solare che può essere convertito aumenta di conseguenza, con questa tecnica è possibile aumentare la corrente 5 prodotta dalla cella solare. Tuttavia, l’impiego di questa tecnica non è esente da inconvenienti. Innanzitutto è noto che diminuendo la banda proibita, si diminuisce di conseguenza la tensione che si sviluppa ai capi della giunzione. Inoltre, incrementando in maniera troppo sensibile la concentrazione di In, si modifica il passo reticolare del materiale, introducendo di conseguenza difetti cristallografici tali 10 da degradare le proprietà opto-elettroniche e di trasporto della cella solare. La presenza di tali difetti cristallografici aumenta con l’aumentare dello spessore dello strato di materiale ad alta concentrazione di In.

Alla luce di quanto esposto in precedenza, la Richiedente ha osservato che le soluzioni attualmente note nello stato della tecnica riguardanti l’implementazione 15 di celle fotovoltaiche, ed in particolare per l’implementazione di celle solari, sono migliorabili dal punto di vista dell’efficienza.

Diversi aspetti della soluzione in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione sono indicati nelle rivendicazioni indipendenti.

Un aspetto della presente invenzione riguarda una cella fotovoltaica 20 monolitica. Detta cella comprende almeno una giunzione. Ciascuna di detta almeno una giunzione comprende una base formata da un materiale semiconduttore drogato di un primo tipo di conduttività ed un emettitore formato da un materiale semiconduttore drogato di un secondo tipo di conduttività opposto al primo. Detto emettitore è impilato sulla base secondo una prima direzione. Il materiale 25 semiconduttore della base e/o dell’emettitore di almeno una di detta almeno una I13050-IT / MV

giunzione è un materiale semiconduttore formato da un composto di almeno un primo elemento ed un secondo elemento. La banda proibita ed il passo reticolare di detto materiale semiconduttore della base e/o dell’emettitore dipendono dalla concentrazione di detto primo elemento in detto composto rispetto a detto secondo 5 elemento. Detta concentrazione del primo elemento in detto composto rispetto al secondo elemento non è uniforme lungo detta prima direzione, essendo pari ad un primo valore in corrispondenza di una porzione inferiore di detta base e/o emettitore ed essendo pari ad un secondo valore minore del primo valore in corrispondenza di una porzione superiore di detta base e/o emettitore. Detta porzione superiore sovrasta 10 detta porzione inferiore secondo la prima direzione.

Un aspetto ulteriore della presente invenzione riguarda un metodo corrispondente per la fabbricazione di una cella fotovoltaica.

Forme di realizzazione vantaggiose sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.

15 La soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione dell’invenzione, come pure ulteriori caratteristiche ed i relativi vantaggi, sarà meglio compresa con riferimento alla seguente descrizione dettagliata, data puramente a titolo indicativo e non limitativo, da leggersi congiuntamente alle figure allegate. A tale riguardo, è espressamente inteso che le figure non sono necessariamente in scala e che, a meno 20 di indicazione contraria, esse sono intese semplicemente ad illustrare concettualmente le strutture e le procedure descritte. In particolare:

Figura 1 mostra schematicamente una vista in sezione verticale di una cella fotovoltaica monolitica;

Figura 2 mostra un diagramma della concentrazione di In nel composto che 25 forma una base della cella di Figura 1 ed un diagramma delle corrispondenti bande I13050-IT / MV

di conduzione e di valenza che si sviluppano in tale base in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione; e

Figura 3 è un grafico che mostra come l’Efficienza Quantica Esterna della cella di Figura 1 cambia passando da un profilo di concentrazione uniforme di In ad 5 un profilo di concentrazione decrescente di In.

Con riferimento ai disegni, ed in particolare alla Figura 1, è mostrata schematicamente ed in sezione verticale una cella fotovoltaica monolitica, particolarmente ma non limitativamente una cella solare, in cui possono essere applicati i concetti in accordo con una forma di realizzazione della presente 10 invenzione. La cella fotovoltaica, identificata nel complesso con il riferimento 100, è una cella multigiunzione a tre giunzioni, e comprende una prima cella elementare, indicata in figura con il riferimento 105a e denominata cella “inferiore”, una seconda cella elementare, indicata con il riferimento 105b e denominata cella “intermedia”, ed una terza cella elementare, indicata con il riferimento 105c e denominata cella 15 “superiore”. La cella superiore 105c è posta al di sopra della cella intermedia 105b, la quale risulta essere a sua volta posta al di sopra della cella inferiore 105a.

Le tre celle elementari sono collegate elettricamente in serie, con interposti dei diodi tunnel; in particolare, la cella inferiore 105a è connessa elettricamente alla cella intermedia 105b mediante un primo diodo tunnel, identificato in figura con il 20 riferimento 108, mentre la cella intermedia 105b risulta essere connessa elettricamente alla cella superiore 105c mediante un secondo diodo tunnel, identificato in figura con il riferimento 110.

La cella inferiore 105a comprende un primo strato di materiale semiconduttore 112 (denominato “base”) di un primo tipo di conduttività, ad 25 esempio di tipo p, ed un secondo strato di materiale semiconduttore 114 (denominato I13050-IT / MV

“emettitore”) del tipo di conduttività opposto, ad esempio di tipo n. La base 112 e l’emettitore 114 sono posizionati direttamente a contatto fra di loro, allo scopo di formare una giunzione pn. Al di sopra dell’emettitore 114 è preferibilmente formato un’ulteriore strato di materiale semiconduttore 116, denominato “strato di finestra”, 5 la cui presenza permette di ridurre l’effetto di ricombinazione superficiale dei portatori di carica fotogenerati nello strato 114, incrementando così l’efficienza di conversione della cella fotovoltaica 100.

Al di sopra dello strato di finestra 116 è formato il diodo tunnel 108.

Tra il diodo tunnel 108 e la cella intermedia 105b è preferibilmente posto 10 uno strato di barriera 118, la cui presenza permette di creare un campo elettrico che spinga i portatori di carica fotogenerati nello strato 120 verso la regione di carica spaziale della cella e di ridurre l’effetto di ricombinazione superficiale dei portatori di carica fotogenerati nello strato 120, incrementando così l’efficienza di conversione della cella fotovoltaica 100.

15 La cella intermedia 105b, formata al di sopra dello strato di barriera 118, comprende un primo strato di materiale semiconduttore 120 (base) del primo tipo di conduttività, ad esempio di tipo p; al di sopra della base 120 è formato preferibilmente un secondo strato 122 denominato “strato distanziatore”, costituito da materiale semiconduttore intenzionalmente non drogato. La cella intermedia 105b 20 comprende inoltre un terzo strato di materiale semiconduttore 124 (emettitore) posizionato al di sopra dello strato distanziatore 122. L’emettitore 124 è composto da un materiale semiconduttore del tipo di conduttività opposto a quello della base 120, ad esempio di tipo n. Allo stesso modo della cella inferiore 105a, al di sopra dell’emettitore 124 della cella intermedia 105b è preferibilmente formato uno strato 25 di finestra 126.

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Al di sopra dello strato di finestra 126 è formato il diodo tunnel 110. Tra il diodo tunnel 110 e la cella superiore 105c è preferibilmente posto un ulteriore strato di barriera 128.

La cella superiore 105c, formata al di sopra dello strato di barriera 128, 5 comprende un primo strato di materiale semiconduttore 130 (base) del primo tipo di conduttività, ad esempio di tipo p; al di sopra della base 130 è formato preferibilmente uno strato distanziatore 132 costituito da materiale semiconduttore intenzionalmente non drogato. Al di sopra dello strato distanziatore 132 è formato un terzo strato di materiale semiconduttore 134 (emettitore) del tipo di conduttività 10 opposto a quello della base 130, ad esempio di tipo n. Al di sopra dell’emettitore 134 è preferibilmente formato uno strato di finestra 136.

Sul retro della cella fotovoltaica 100, ed in particolare in corrispondenza della superficie della base 112 opposta a quella affacciata sull’emettitore 114, è formato un primo strato di materiale conduttivo 138, ad esempio di un metallo quale 15 oro (Au) o argento (Ag), che costituisce un primo terminale di contatto della cella fotovoltaica 100.

Al di sopra dello strato di finestra 136 corrispondente alla cella superiore 105c, è formato a tratti un cappuccio ("cap") 145 in materiale semiconduttore di un prescritto tipo di conduttività, ad esempio di tipo n; sul cappuccio 145 è formato un 20 contatto di materiale conduttivo 150, ad esempio di un metallo quale Au o Ag, costituente un secondo terminale di contatto della cella fotovoltaica 100.

Sempre al di sopra dello strato finestra 136 è formato uno strato di copertura 140 di materiale antiriflettente, costituito ad esempio da uno o più strati d’ossido. Nello strato di copertura antiriflettente 140 è lasciata una via opportuna di passaggio 25 verso il metallo 150 per consentire la contattatura esterna della cella fotovoltaica 100.

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Analizzando in maggior dettaglio le celle elementari che costituiscono la cella fotovoltaica 100 complessiva, la cella inferiore 105a ha la base 112 costituita da Germanio (Ge) drogato del primo tipo di conduttività - nell’esempio considerato il tipo p. L’emettitore 114 della cella inferiore 105a è formato dallo stesso materiale 5 della base 112, ad esempio Ge, ma drogato in maniera opposta - nell’esempio considerato drogato di tipo n.

Lo strato di finestra 116 può essere costituito da uno strato di materiale III-V quale un composto ternario o quaternario, ad esempio un composto di Indio (In), Gallio (Ga) e Fosforo (P), ovvero InGaP, un composto di In, Ga e Arsenico (As), 10 ovvero InGaAs, un composto di Alluminio (Al) Ga e As, ovvero AlGaAs.

Il diodo tunnel 108 è realizzato in modo noto, ad esempio mediante un primo strato formato da materiale III-V drogato del secondo tipo di conduttività -nell’esempio considerato, di tipo n - ed un secondo strato formato da materiale III-V drogato del tipo di conduttività opposto – nell’esempio considerato, di tipo p.

15 Lo strato di barriera 118 è formato da un materiale semiconduttore, ad esempio un materiale III-V, quale AlGaAs, AlGaInP o InGaP drogato del primo tipo di conduttività – nell’esempio considerato, di tipo p.

La cella intermedia 105b ha la base 120 costituita da un materiale III-V, quale un composto ternario o quaternario, ad esempio InGaAs, drogato del primo 20 tipo di conduttività - nell’esempio considerato il tipo p. L’emettitore 124 della cella intermedia 105b è formato da un ulteriore materiale III-V, ad esempio lo stesso materiale della base 120, quale InGaAs, drogato in maniera opposta - nell’esempio considerato, drogato di tipo n. Lo strato distanziatore 122 è realizzato mediante materiale semiconduttore, ad esempio lo stesso della base 120; tuttavia, il materiale 25 dello strato distanziatore 122 è intrinseco, ovvero privo di una quantità apprezzabile I13050-IT / MV

di impurità drogante.

Lo strato di finestra 126 può essere costituito da uno strato di materiale III-V, quale AlGaAs, AlInGaP, AlInP o InGaP.

Il diodo tunnel 110 può essere realizzato mediante un primo strato formato 5 da materiale III-V drogato del secondo tipo di conduttività - nell’esempio considerato, di tipo n - ed un secondo strato formato da materiale III-V drogato del tipo di conduttività opposto – nell’esempio considerato, di tipo p.

Allo stesso modo dello strato di barriera 118, lo strato di barriera 128 è formato da un materiale semiconduttore, ad esempio un materiale III-V quale 10 AlGaInP o AlInP drogato del primo tipo di conduttività – nell’esempio considerato, di tipo p.

La cella superiore 105c ha la base 130 costituita da un materiale III-V quale un composto ternario o quaternario, ad esempio InGaP drogato del primo tipo di conduttività - nell’esempio considerato il tipo p. L’emettitore 134 della cella 15 superiore 105c è formato da un ulteriore materiale III-V, ad esempio lo stesso materiale della base 130, quale InGaP, ma drogato in maniera opposta - nell’esempio considerato, drogato di tipo n. Lo strato distanziatore 132 è realizzato mediante materiale III-V, ad esempio lo stesso della base 130; tuttavia, il materiale dello strato distanziatore 132 è intrinseco, ovvero privo di una quantità apprezzabile di impurità 20 drogante.

In maniera del tutto simile allo strato di finestra 126, lo strato di finestra 136 può essere costituito da uno strato di materiale III-V quale AlInP.

Dal punto di vista del processo di fabbricazione, la cella fotovoltaica 100 è fabbricata a partire da un substrato del materiale semiconduttore che forma la base 25 112 della cella inferiore 105a – nell’esempio considerato, Ge – del tipo di I13050-IT / MV

conduttività opportuno - nell’esempio considerato, del tipo p –, e con una concentrazione di droganti adeguata. In particolare, mediante processi di deposizione e/o diffusione, a partire da tale substrato che funge da base 112, si forma l’emettitore 114 della cella inferiore 105a. Tutti gli strati successivi della cella fotovoltaica 100 5 fino alla finestra 136 sono ottenuti mediante tecniche opportune di crescita epitassiale, quali epitassia da fascio molecolare (Molecular Beam Epitaxy, “MBE”) o mediante deposizione chimica da fase vapore con precursori metallorganici (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition, “MOCVD”), utilizzando come substrato massivo l’emettitore 114 e la base 112 della cella inferiore 105a.

10 In accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione, la concentrazione di In nel composto di InGaAs che forma la base 120 della cella intermedia 105b non è uniforme, ma è fatta variare lungo la propria profondità, ovvero lungo la direzione identificata in Figura 1 con il riferimento x, da un primo valore C1 nella porzione inferiore della base (ad esempio, all’interfaccia tra la base 15 120 e la barriera 118 sottostante) ad un secondo valore C2 < C1 nella porzione superiore della base (ad esempio, all’interfaccia tra la base 120 e lo strato distanziatore 122 sovrastante).

Facendo riferimento al caso in cui gli strati successivi della cella fotovoltaica 100 sono ottenuti mediante tecnica MOCVD, la variazione del profilo di 20 concentrazione di In nella base della cella intermedia 105b può ad esempio essere realizzata facendo variare il flusso del gas di trasporto del precursore di In rispetto al flusso del gas di trasporto del precursore di Ga (o viceversa) durante il processo di crescita.

Allo scopo di descrivere in dettaglio gli effetti prodotti dalla presenza di una 25 concentrazione non uniforme di In nel composto di InGaAs che forma la base 120, I13050-IT / MV

ed illustrare i vantaggi ottenibili dall’impiego di tale soluzione, verrà ora fatto riferimento alla Figura 2.

La Figura 2 mostra un diagramma 205 della concentrazione di In nel composto di InGaAs che forma la base 120 lungo la direzione x, ed un diagramma 5 210 delle corrispondenti bande di conduzione e di valenza che si sviluppano nella base 120 lungo la direzione x risultanti dalla concentrazione di In del diagramma 205.

Facendo riferimento al diagramma 205, con il tratto continuo è indicata la concentrazione CIn di In nel composto di InGaAs della base 120 secondo una 10 soluzione nota, in cui tale concentrazione CIn è uniforme lungo tutto lo spessore della base 120, ovvero ha un valore costante Cc lungo la direzione x. Con linea tratteggiata è indicata la concentrazione CIn* di In nel composto di InGaAs della base 120 secondo una soluzione in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione, in cui tale concentrazione CIn* decresce linearmente lungo la 15 direzione x da un primo valore C1≥Cc all’interfaccia tra la base 120 e la barriera 118 sottostante ad un secondo valore C2 < C1 all’interfaccia tra la base 120 e lo strato distanziatore 122 sovrastante.

Ad esempio, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione C1 può essere tale per cui il rapporto In/Ga nel composto di InGaAs è pari a 3-10%, 20 mentre C2 può essere tale per cui il rapporto In/Ga nel composto di InGaAs è pari a 0-2%.

Facendo riferimento al diagramma 210, con il tratto continuo sono indicate le bande di conduzione Cb e di valenza Vb che si sviluppano nella base 120 lungo la direzione x risultanti dalla concentrazione CIn uniforme mostrata nel diagramma 25 205 secondo una soluzione nota. Con linea tratteggiata sono indicate le bande di I13050-IT / MV

conduzione Cb* e di valenza Vb* che si sviluppano nella base 120 lungo la direzione x risultanti dalla concentrazione CIn* decrescente (lungo la direzione x) mostrata nel diagramma 205 secondo una soluzione in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.

5 Nel caso noto di concentrazione CIn uniforme di In, la banda proibita Eg, pari alla differenza (in termini di energia elettronica) tra la banda di conduzione Cb e la banda di valenza Vb, risulta avere un valore Eg pressoché uniforme per tutta la profondità della base 120, ovvero un valore costante al variare di x.

Grazie al profilo decrescente della concentrazione CIn* lungo la direzione 10 x, la banda di conduzione Cb* in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione presenta porzioni con valori di energia elettronica più bassi di quelli della banda di conduzione Cb corrispondente alla concentrazione uniforme CIn, mentre le bande di valenza Vb e Vb* sono sostanzialmente coincidenti. La banda di conduzione Cb* risulta avere valori di energia elettronica minori ove la 15 concentrazione di In è maggiore. Di conseguenza, con un profilo di concentrazione CIn* decrescente quale il profilo CIn* illustrato nella Figura 2, la corrispondente banda di conduzione Cb* presenta valori di energia elettronica minori (di quelli della banda di conduzione Cb) nelle zone più profonde della base 120 (ovvero per bassi valori di x), e valori sempre più grandi con l’avvicinarsi all’interfaccia con lo strato 20 distanziatore 122 (ovvero con l’incrementarsi di x). Di conseguenza, nel caso di concentrazione CIn* decrescente, la banda proibita Eg*, pari alla differenza (in termini di energia elettronica) tra la banda di conduzione Cb* e la banda di valenza Vb*, non risulta più essere costante lungo tutta la profondità della base 120, ma varia in funzione di x. Avendo la concentrazione CIn* un profilo decrescente che parte da 25 un valore iniziale C1≥Cc all’interfaccia tra la base 120 e la barriera 118 e termina ad I13050-IT / MV

un valore finale C2 < C1 all’interfaccia tra la base 120 e lo strato distanziatore 122, la banda proibita Eg* presenta un profilo crescente con x, che parte da un valore iniziale E1<Eg all’interfaccia tra la base 120 e la barriera 118 fino a raggiungere un valore finale E2>E1 all’interfaccia tra la base 120 e lo strato distanziatore 122.

5 In questo modo, i fotoni incidenti vengono assorbiti man mano che attraversano lo strato di materiale che forma la base 120, con i fotoni a più bassa energia che vengono lasciati passare dalle porzioni più superficiali della base 120 e vengono convertiti nelle porzioni più profonde di essa (ove la banda proibita Eg* ha valori minori).

10 Facendo ancora riferimento alla Figura 2, l’efficienza complessiva di una cella solare 100 con il profilo di concentrazione CIn* decrescente risulta essere maggiore di quella di una cella solare con il profilo di concentrazione CIn uniforme, poiché nelle porzioni più profonde della base 120 nel primo caso la banda proibita ha valori più bassi.

15 Rispetto ad un semplice incremento uniforme della concentrazione di In lungo tutta la profondità della base 120, utilizzare il profilo di concentrazione CIn* decrescente in accordo con la forma di realizzazione dell’invenzione appena descritta permette di incrementare l’efficienza della cella senza incorrere (od almeno incorrendo in misura ridotta) negli inconvenienti menzionati nella parte introduttiva 20 del presente documento per i seguenti motivi.

Innanzitutto, il fatto di avere diminuito la banda proibita Eg* non in maniera uniforme, ma solo in corrispondenza di certe porzioni della base 120 (nelle porzioni più profonde di essa), permette di contenere la riduzione della tensione che si sviluppa ai capi della giunzione,Tale tensione è infatti proporzionale al potenziale di 25 built-in della giunzione, che dipende principalmente dal valore della banda proibita I13050-IT / MV

in corrispondenza della regione di carica spaziale della giunzione (la quale regione è nella porzione più superficiale della base, ove la banda proibita non è stata diminuita).

Inoltre, si è osservato che i difetti cristallografici causati dalla crescita 5 epitassiale di un materiale avente un passo reticolare non compatibile con quello del substrato su cui esso è fatto crescere, si generano solo se lo spessore dello strato da crescere con passo reticolare non compatibile supera uno spessore critico THc = k / d, dove k è una costante e d rappresenta la differenza tra i passi reticolari dei due materiali. Pertanto, più la differenza tra il passo reticolare è bassa, maggiore è lo 10 spessore di materiale avente un passo reticolare non compatibile che si può crescere senza incorrere in difetti cristallografici. Nella soluzione in accordo con una forma di realizzazione della invenzione appena descritta, la base 120 non ha un passo reticolare costante, ma varia lungo la direzione x in funzione del profilo di concentrazione CIn* di In. Il profilo di concentrazione CIn* decrescente di In è 15 vantaggiosamente modulato in modo tale che la base 120 presenti un passo reticolare non compatibile con quello della cella inferiore 105a che funge da substrato per la crescita epitassiale (ovvero Ge) esclusivamente in una porzione profonda della base avente uno spessore minore di THc, mentre nel resto della base 120 presenti un passo reticolare compatibile. In questo modo, si riesce vantaggiosamente ad aumentare 20 l’efficienza della cella senza incorrere nella formazione di difetti cristallografici tali da degradare le prestazioni della cella solare.

Nella forma di realizzazione dell’invenzione che è stata descritta in dettaglio in Figura 2, il profilo di concentrazione CIn* di In nella base 120 è strettamente decrescente. I concetti della presente invenzione possono comunque applicarsi anche 25 ad altri tipi di profili di concentrazione non uniforme di In rispetto ad x, a patto che il I13050-IT / MV

valore C1 nella porzione inferiore della base (ad esempio, tra la base 120 e la barriera 118 sottostante) sia maggiore del valore C2 nella porzione superiore della base (ad esempio, all’interfaccia tra la base 120 e lo strato distanziatore 122 sovrastante).

Ad esempio, in accordo con una forma di realizzazione della presente 5 invenzione, la concentrazione di In nel composto di InGaAs della base 120 può essere, rispetto ad x, una generica funzione non crescente, una funzione lineare a tratti decrescente, una funzione decrescente polinomiale, una funzione di proporzionalità inversa, o una funzione comprendente anche almeno una porzione crescente.

10 Nelle soluzioni in accordo con le forme di realizzazione della presente invenzione la banda proibita Eg* presenta un profilo non uniforme rispetto ad x, che parte da un valore iniziale E1 all’interfaccia tra la base 120 e la barriera 118 fino a raggiungere un valore finale E2>E1 all’interfaccia tra la base 120 e lo strato distanziatore 122. Tale profilo di banda proibita Eg* causa la generazione di un 15 campo elettrico, diretto in modo da ostacolare la diffusione dei portatori verso la giunzione.

Allo scopo di incrementare ulteriormente l’efficienza della cella solare, tale campo elettrico può essere compensato da un campo elettrico opposto, generato modulando la concentrazione di drogante di tipo p nella base 120 in modo che essa 20 risulti avere un profilo decrescente lungo la direzione x. In questo modo, grazie alla presenza di tale secondo campo elettrico, i portatori sono spinti verso la giunzione, permettendo di sfruttare pienamente i benefici ottenuti dalla diminuzione della banda proibita Eg* senza alterare la lunghezza di diffusione efficace. Tale soluzione è descritta nella domanda di brevetto WO 2011/009857 di titolarità della Richiedente, 25 ed è qui incorporata per riferimento nella sua interezza.

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La Figura 3 è un grafico che mostra un esempio di come l’Efficienza Quantica Esterna (EQE) di una cella solare a tre giunzioni può cambiare passando da un profilo di concentrazione CIn uniforme di In (linea continua) ad un profilo di concentrazione CIn* decrescente di In (linea tratteggiata). Come visibile dalla 5 figura, grazie al profilo di concentrazione CIn* decrescente di In, si ha uno spostamento della soglia di assorbimento verso lunghezze d’onda ad energie più basse.

Sebbene nella presente descrizione si sia fatto esplicito riferimento ad una particolare cella solare, ovvero la cella solare 100 a tre giunzioni illustrata in Figura 10 1, comprendente una cella inferiore 105a realizzata in Ge, una cella intermedia 105b realizzata in InGaAs, ed una cella superiore 105c realizzata in InGaP, con la base 120 della cella intermedia 105b con un profilo di concentrazione CIn* di In non uniforme, i concetti della presente invenzione possono applicarsi anche a celle solari di struttura differente, contenenti almeno una giunzione comprendente almeno uno 15 strato in un materiale semiconduttore basato su un composto comprendente In. Ad esempio, una lista esemplificativa e non esaustiva di celle solari in cui possono applicarsi i concetti della presente invenzione può comprendere:

- Le celle solari monogiunzione con substrato (non attivo) in Ge, ed una giunzione realizzata in InGaAs. In questo caso, il profilo di concentrazione di In non 20 uniforme può essere vantaggiosamente applicato alla base dell’unica giunzione della cella.

- Le celle solari a due giunzioni con substrato (non attivo) in Ge, una prima giunzione inferiore realizzata in InGaAs, ed una giunzione superiore realizzata in InGaP. In questo caso, il profilo di concentrazione di In non uniforme può essere 25 vantaggiosamente applicato alla base della giunzione inferiore.

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- Le celle solari a quattro giunzioni dotate di (a partire dal fondo) una prima giunzione in Ge, una seconda giunzione in InGaAs, una terza giunzione in Al(In)GaAs, ed una quarta giunzione in AlInGaP. In questo caso il profilo di concentrazione di In non uniforme può essere vantaggiosamente applicato alla base 5 della seconda giunzione e/o alla base della terza giunzione e/o alla base della quarta giunzione.

Inoltre, i concetti della presente invenzione si possono applicare non solo a celle solari comprendenti materiali semiconduttori basati su composti comprendenti In, ma in generale anche a tutti i materiali semiconduttori basati su composti (ovvero, 10 formati da un composto di più di un elemento) in cui la banda proibita ed il passo reticolare dipendono dalla concentrazione di almeno un elemento del composto rispetto ad almeno un altro elemento del composto. In questi casi, la banda proibita è fatta variare con un profilo di concentrazione non uniforme di tale almeno un elemento lungo la profondità dello strato ove tale elemento è compreso.

15 Ad esempio, i concetti della presente invenzione possono applicarsi a materiali semiconduttori formati da composti di tre o più elementi differenti appartenenti ad almeno due gruppi diversi (ad esempio dei gruppi III e V), ad esempio AlGaAs, GaAsSb, GaInAsSb, GaInAsP, GaInSb, oppure anche a materiali semiconduttori formati da composti di due elementi differenti se appartenenti allo 20 stesso gruppo (ad esempio, del gruppo IV), per esempio SiGe.

Inoltre, sebbene nella presente descrizione si sia fatto riferimento esplicito solamente ad una cella solare con banda proibita variabile ottenuta mediante un profilo di concentrazione non uniforme di un elemento lungo la profondità di almeno una base di una giunzione della cella, i concetti della presente invenzione possono 25 anche applicarsi al caso in cui sia l’emettitore di almeno una giunzione ad avere un I13050-IT / MV

elemento del composto che lo forma con un profilo di concentrazione non uniforme. In questo caso, la concentrazione di tale elemento (ad esempio, In) è fatta variare lungo la propria profondità (ovvero lungo la direzione x di Figura 1) da un primo valore C’ nella porzione inferiore dell’emettitore (ad esempio, all’interfaccia tra 5 l’emettitore e l’eventuale strato distanziatore sottostante) ad un secondo valore C’’ < C’ nella porzione superiore dell’emettitore (ad esempio all’interfaccia tra l’emettitore e lo strato di finestra sovrastante). Con un profilo di concentrazione di questo tipo, la banda di valenza presenta porzioni con valori di energia elettronica più alti di quelli della banda di valenza corrispondente alla concentrazione uniforme. La banda di 10 valenza presenta valori di energia elettronica maggiori nelle zone più profonde dell’emettitore, ovvero per bassi valori di x, e valori più bassi per valori maggiori di x. Di conseguenza, la banda proibita presenta un profilo non uniforme lungo x, con un valore iniziale E’ all’interfaccia tra l’emettitore e lo strato distanziatore sottostante ed un valore finale E’’ > E’ all’interfaccia tra l’emettitore e lo strato di finestra 15 sovrastante. Preferibilmente, il valore iniziale E’ della banda proibita è impostato in modo da essere maggiore od uguale del valore massimo di banda proibita nella base.

Considerazioni simili possono applicarsi nel caso di soluzioni miste, con profili di concentrazioni non uniformi lungo sia la profondità della base si lungo la profondità dell’emettitore.

20 Naturalmente alla soluzione sopra descritta un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti. In particolare, sebbene la presente invenzione sia stata descritta con un certo livello di dettaglio con riferimento a sue forme di realizzazione preferite, è chiaro che varie omissioni, sostituzioni e cambiamenti nella forma e nei dettagli così come altre 25 forme di realizzazione sono possibili; inoltre, è espressamente inteso che specifici I13050-IT / MV

elementi e/o passi di metodo descritti in relazione ad ogni forma di realizzazione esposta dell'invenzione possono essere incorporati in qualsiasi altra forma di realizzazione come una normale scelta di disegno.

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Claims (1)

1. I13050-IT / MV RIVENDICAZIONI 1. Cella fotovoltaica monolitica comprendente almeno una giunzione, in cui ciascuna di detta almeno una giunzione comprende una base formata da un materiale semiconduttore drogato di un primo tipo di conduttività ed un emettitore formato da 5 un materiale semiconduttore drogato di un secondo tipo di conduttività opposto al primo, detto emettitore essendo impilato sulla base secondo una prima direzione, il materiale semiconduttore della base e/o dell’emettitore di almeno una di detta almeno una giunzione essendo un materiale semiconduttore formato da un composto di almeno un primo elemento ed un secondo elemento, in cui la banda proibita ed il 10 passo reticolare di detto materiale semiconduttore della base e/o dell’emettitore dipendono dalla concentrazione di detto primo elemento in detto composto rispetto a detto secondo elemento, caratterizzata dal fatto che detta concentrazione del primo elemento in detto composto rispetto al secondo 15 elemento non è uniforme lungo detta prima direzione, essendo pari ad un primo valore in corrispondenza di una porzione inferiore di detta base e/o emettitore ed essendo pari ad un secondo valore minore del primo valore in corrispondenza di una porzione superiore di detta base e/o emettitore, detta porzione superiore sovrastando detta porzione inferiore secondo la prima direzione. 20 2. Cella fotovoltaica in accordo con la rivendicazione 1, in cui detta concentrazione corrisponde ad una funzione non crescente lungo detta prima direzione. 25 3. Cella fotovoltaica in accordo con la rivendicazione 2, in cui detta I13050-IT / MV concentrazione corrisponde ad una funzione decrescente lungo detta prima direzione. 4. Cella fotovoltaica in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente ulteriormente un substrato formato da un ulteriore 5 materiale avente un primo passo reticolare, detta almeno una giunzione essendo impilata su detto substrato secondo la prima direzione, detta concentrazione del primo elemento essendo tale per cui il materiale semiconduttore di detta base e/o emettitore dell’almeno una di detta almeno una giunzione ha un secondo passo reticolare diverso dal primo passo reticolare in una porzione di detta base e/o 10 emettitore avente uno spessore lungo la prima direzione minore di uno spessore critico, detto spessore critico essendo inversamente proporzionale alla differenza tra il primo ed il secondo passo reticolare. 5. Cella fotovoltaica in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni 15 precedenti, in cui: - l’almeno una giunzione comprende una prima giunzione, una seconda giunzione ed una terza giunzione, detta seconda giunzione essendo impilata sulla prima giunzione secondo la prima direzione e detta terza giunzione essendo impilata sulla seconda giunzione secondo la prima direzione, e 20 - detta almeno una di detta almeno una giunzione è la seconda giunzione 6. Cella fotovoltaica in accordo con una qualunque tra le rivendicazioni precedenti, in cui detto materiale semiconduttore di detta base e/o emettitore dell’almeno una di detta almeno una giunzione è formato da un composto di Indio, 25 Gallio, ed Arsenico, detto primo elemento essendo Indio e detto secondo elemento I13050-IT / MV essendo Gallio. 7. Cella fotovoltaica in accordo con la rivendicazione 6, in cui: - detto primo valore di concentrazione è tale per cui il rapporto 5 Indio/Gallio nel composto è pari a 3-10%, e - detto secondo valore di concentrazione è tale per cui il rapporto Indio/Gallio nel composto è pari a 0-2%. 8. Metodo per la fabbricazione di una cella fotovoltaica comprendente 10 almeno una giunzione, il metodo comprendendo: - generare detta almeno una giunzione formando una base mediante un materiale semiconduttore drogato di un primo tipo di conduttività e formando un emettitore mediante un materiale semiconduttore drogato di un secondo tipo di conduttività opposto al primo, detto emettitore essendo impilato sulla base secondo 15 una prima direzione, il materiale semiconduttore della base e/o dell’emettitore di almeno una di detta almeno una giunzione essendo un materiale semiconduttore formato da un composto di almeno un primo elemento ed un secondo elemento, in cui la banda proibita ed il passo reticolare di detto materiale semiconduttore della base e/o dell’emettitore dipendono dalla concentrazione di detto primo elemento in 20 detto composto rispetto a detto secondo elemento, caratterizzata dal fatto che il passo di formare la base e/o l’emettitore di almeno una di detta almeno una giunzione comprende: - crescere epitassialmente detta base e/o emettitore in modo che detta concentrazione 25 del primo elemento in detto composto rispetto al secondo elemento non sia uniforme I13050-IT / MV lungo detta prima direzione, essendo pari ad un primo valore in corrispondenza di una porzione inferiore di detta base e/o emettitore ed essendo pari ad un secondo valore minore del primo valore in corrispondenza di una porzione superiore di detta base e/o emettitore, detta porzione superiore sovrastando detta porzione inferiore 5 secondo la prima direzione. * * * * *