Tesi di Dottorato
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Item Design og high-efficiency crystalline silicon solar cells based on numerical simulation(2017-02-13) Procel Moya, Paul Alejandro; Pantano, Pietro; Cocorullo, Giuseppe; Crupi, FeliceL’utilizzo di strumenti di simulazione è diventato un approccio chiave nel processo di progettazione di celle solari ad alta efficienza. In questo lavoro di tesi, strutture e tecnologie relative a celle solari avanzate in silicio cristallino sono state discusse e analizzate per mezzo di simulazioni numeriche. In particolare, i parametri critici sono stati evidenziati fornendo linee guida per ottenere la massima efficienza in relazione ai vincoli tecnologici. Nel Capitolo 1 è stata presentata l’evoluzione delle celle in c-Si effettuata con l’obiettivo di avvicinarsi il più possibile agli effettivi limiti di efficienza.. Nel Capitolo 2, è stato descritto lo stato dell’arte generale relativo alle celle in silicio cristallino, focalizzandosi sulla loro implementazione in simulazioni numeriche. Di seguito, nel Capitolo 3, è stato presentato uno studio teorico dell’impatto dei parametri di progettazione sulle principali figure di merito di celle solari IBC in c-Si, basato su simulazioni elettro-ottiche. Lo studio è stato condotto analizzando i principali parametri e identificando i meccanismi dominanti che migliorano o degradano l’efficienza di conversione. In particolare, è stato dimostrato che le concentrazioni di drogaggio e le geometrie della faccia inferiore ottimali sono il risultato di compromessi tra meccanismi di ricombinazione intrinseci ed estrinseci, nel caso dei drogaggi, e tra maccanismi di trasporto e ricombinazione, nel caso delle geometrie posteriori. Successivamente, l’approccio presentato nel Capitolo 2 è stato ampliato nel Capitolo 4, in cui è stato illustrato un innovativo modello di simulazione per IBC. La simulazione elettro-ottica è stata validata e impiegata per lo studio della regione frontale della cella back-contact. La nuova metodologia di simulazione modella in dettaglio il comportamento ottico e i meccanismi di passivazione sulla texturizzazione frontale. I risultati ottenuti hanno mostrato che un’interfaccia frontale texturizzata con piramidi irregolari e un FSF ottimale sono necessari per minimizzare sia le perdite ottiche che per ricombinazione. Analogamente, è stato evidenziato che le perdite per ricombinazione sono influenzate in misura maggiore dal profilo di drogaggio che dalla rugosità delle superficie. In relazione all’ottimizzazione del regione inferiore è stato ottenuto un miglioramento del 1% nell’efficienza assoluta e, in conseguenza di questo, migliorando sia la qualità dell’emettitore che della base in silicio cristallino, è stata presentata una cella solare con efficienza del 22.84%. Nel Capitolo 5, il modello di simulazione è stato usato per analizzare parametri critici di progettazione nell’applicazione di contatti passivanti in un cella solare convenzionale. I risultati delle simulazioni hanno dimostrato che i parametri principali che limitano il meccanismo di trasporto sono l’energia di barriera, le masse di tunneling di elettroni e lacune e lo spessore dell’ossido. Inoltre, è stato riscontrato che il comportamento del potenziale di built-in è correlato all’allineamento delle bande. Questo effetto fornisce la comprensione di come il silicio cristallino con drogaggio internamente diffuso supporta il trasporto per mezzo di tunneling attraverso lo strato di ossido. In accordo con le analisi svolte, sono state fornite delle indicazioni per la progettazione di contatti passivanti. In conclusione, in questo lavoro di tesi sono state fornite linee guide per il design di celle solari IBC e celle solari convenzionali con contatti passivanti, con lo scopo di favorire processi di fabbricazione di celle solari in silicio cristallino ad alta efficienza.Item Design of interdigitated back-contact solar cells by means of TCAD numerical simulations(2017-02-13) Maccaronio, Vincenzo; Pantano, Pietro; Cocorullo, Giuseppe; Crupi, FeliceLa promessa dell’energia solare come forma di energia principale è sempre più concreta, ma il nodo cruciale rimane il costo per Watt, che deve essere sempre di più avvicinato o finanche ulteriormente ridotto rispetto a quello delle reti di distribuzione energetiche esistenti. Un lavoro di ottimizzazione in termini di design e parametri di fabbricazione è quindi fondamentale per raggiungere questo obiettivo. Il silicio cristallino è il materiale maggiormente diffuso nell’industria fotovoltaica, per via di diversi fattori, tra cui l’ottimo rapporto costo/prestazioni e la vasta presenza di macchinari per la sua lavorazione, dovute al suo impiego pluridecennale nell’industria microelettronica. Fra le diverse tipologie di celle esistenti è stata scelta un’architettura che presenta entrambi i contatti metallici sul retro, chiamata per questo interdigitated back-contact (iBC). Questo particolare design offre numerosi vantaggi in termini di efficienza massima, costo di produzione ed estetica del pannello, in relazione alle celle convenzionali. Difatti, al momento attuale le maggiori efficienze in celle monogiunzione, sia a livello di laboratorio che di moduli commerciali, sono state ottenute utilizzando questa struttura, sulla quale un’approfondita attività di ricerca può quindi dimostrarsi di notevole interesse. Per il processo di analisi è stato scelto un approccio numerico, tramite l’uso del simulatore di dispositivi TCAD Sentaurus di Synopsys. L’utilizzo di simulazioni offre numerosi punti a favore rispetto all’ottimizzazione per mezzo di step ripetuti di fabbricazione. In primis, un vantaggio in termini di costi, non necessitando di macchinari, materiali e camere pulite. Inoltre un’analisi numerica rende possibile individuare ed evidenziare punti o cause specifiche di perdite o problemi di progettazione. La problematica maggiore di questo approccio risiede nella necessità di garantire l’affidabilità delle simulazioni e ciò è stato ottenuto mediante l’applicazione dello stato dell’arte di tutti i modelli fisici specifici coinvolti nel funzionamento di questo tipo di celle. La tematica di ricerca affrontata è stata quindi la progettazione di celle solari al silicio con contatti interdigitati sul retro tramite l’uso di simulazioni numeriche. Il lavoro di ottimizzazione è stato realizzato investigando uno spazio di parametri di fabbricazione molto vasto e ottenendo informazioni sui trend delle prestazioni al variare degli stessi. Nel primo capitolo è stata illustrata la fisica e i principi di funzionamento di una cella solare, iniziando dall’assorbimento della luce, passando alla sua conversione in cariche elettriche, per finire con la loro raccolta per generare potenza. I meccanismi di ricombinazione e le altre cause di perdite sono stati presentati ed esaminati. Nel secondo capitolo è stata dettagliata l’architettura di una cella solare, evidenziando le diverse regioni e presentando la struttura back-contact. Il terzo capitolo è stato dedicato alla spiegazione delle strategie di simulazione applicate in questo lavoro, con la definizione dei modelli fisici applicati e calibrati per assicurare l’accuratezza richiesta. Nei capitoli quattro e cinque sono stati presentati i risultati delle simulazioni effettuate, realizzate variando le caratteristiche geometriche delle diverse regioni della cella e i profili di drogaggio. Sono stati ottenuti i trend di comportamento relativi ai singoli parametri che, nel caso relativo ai drogaggi, permettono di affermare che per ogni regione l’andamento dell’efficienza ha una forma a campana, che presenta un ottimo di drogaggio relativo in un punto intermedio. Questo comportamento è dovuto, per bassi valori di drogaggio, all’effetto della ricombinazione sul contatto per BSF ed emettitore e della ricombinazione superficiale per l’FSF. Per alti valori di drogaggio, la degradazione dell’efficienza dipende dall’effetto della ricombinazione Auger per BSF ed emettitore e da quella superficiale per l’FSF. Per quanto riguarda i parametri geometrici, le analisi svolte evidenziano che il gap tra emettitore e BSF deve essere quanto più piccolo possibile, dato che all’aumentare della sua dimensione aumentano le perdite per effetto resistivo e di ricombinazione. È stato determinato che il valore ottimale di emitter coverage non è assoluto, ma dipende dalla resistività del bulk e dai drogaggi delle altre regioni, os cillando tra l’80% e il 90%. Per quanto riguarda il pitch ottimale, cioè la distanza tra i contatti, è stato determinato che maggiori efficenze corrispondono a valori minori, principalmente perché all’aumentare della distanza aumentano le resistenze parassite. Infine si è evidenziato che l’aggiunta di un secondo contatto sull’emettitore, equispaziato dal centro della regione, migliora l’efficienza totale poiché riduce le perdite resistive, soprattutto nel caso di celle con emettitori lunghi.