Le celle solari al silicio epitassiale in tecnologia a film sottile sono meno costose rispetto alle celle solari basate su silicio volumetrico. Tuttavia, il principale svantaggio delle attuali celle al silicio epitassiale in tecnologia a film sottile è la loro efficienza relativamente bassa. Due tecniche si sono dimostrate efficaci nell'aumentare l'efficienza di questo tipo di celle solari: l'ottimizzazione del trattamento della superficie frontale per mezzo di un trattamento superficiale al plasma basato su atomi di materiale alogeno, e l'introduzione di un riflettore intermedio all'interfaccia fra lo strato epitassiale e il substrato. La struttura ottimizzata della superficie frontale combina i requisiti di diffusione uniforme della luce (rifrazione Lambertiana) e di riduzione della riflessione con una rimozione molto ridotta di silicio (dal momento che lo strato epitassiale al silicio è già molto sottile). L'introduzione del riflettore intermedio (riflettore multiplo di Bragg) prolunga la lunghezza del percorso dei fotoni a bassa energia con almeno un fattore 7, migliorando in ultima analisi l'efficienza delle celle solari.
Celle solari epitassiali in tecnologia a film sottile
Le celle solari al silicio basate su substrati al silicio volumetrico di tipo mono o multicristallino dominano il mercato fotovoltaico. Tuttavia, essendo interamente costituite di silicio di elevata purezza, la produzione di questo tipo di celle solari è molto energivora e relativamente costosa. Per promuovere ulteriormente l'industria fotovoltaica, il costo di produzione delle celle solari dovrebbe diminuire drasticamente riducendo il costo del materiale. La celle solari al silicio epitassiale in tecnologia a film sottile hanno il potenziale di essere un'alternativa a basso costo alle celle solari al silicio volumetrico. Queste celle solari serigrafate usano un substrato più economico e uno strato attivo di silicio più sottile (20 µm) rispetto alle celle attuali al silicio volumetrico (200 µm). Il substrato a basso costo consiste di wafer in silicio cristallino fortemente dopati (in silicio impuro ottenuto dal silicio di grado metallurgico o da materiale di scarto). Su questo substrato è depositato un sottile strato attivo al silicio per mezzo della tecnica Cvd (Chemical vapour deposition). Il processo di produzione delle celle solari al silicio epitassiale in tecnologia a film sottile è molto simile a quella delle celle solari convenzionali in silicio volumetrico. Di conseguenza, rispetto a qualsiasi altra tecnologia a film sottile, sarà relativamente semplice realizzarle all'interno delle linee di produzione esistenti. Tuttavia, un grande svantaggio per la competitività a livello industriale delle celle solari al silicio epitassiale a film sottile è la loro efficienza modesta rispetto alle celle solari convenzionali al silicio volumetrico: la tensione di circuito aperto e il fattore di riempimento di queste celle possono raggiungere livelli simili rispetto alle celle solari al silicio volumetrico ma, a causa dello strato attivo otticamente sottile (20 µm anziché 200 µm), la luce è persa nel substrato di bassa qualità dal momento in cui è trasmessa dallo strato epitassiale verso il substrato, provocando una perdita di corrente di corto circuito, che può arrivare anche a 7 mA/cm2. La sfida consiste nel trovare il compromesso ideale fra una produzione sufficiente di energia e un costo ridotto, tenendo presente i requisiti di produzione industriale su larga scala. Esistono due sviluppi che aumentano la lunghezza del percorso ottico e di conseguenza influenzano positivamente l'efficienza delle celle solari al silicio epitassiale a film sottile: il trattamento superficiale al plasma e l'inserzione di uno specchio al silicio poroso all'interfaccia fra il substrato al silicio a basso costo e lo strato attivo. È stato dimostrato che questi adattamenti aumentano l'efficienza della cella solare al silicio epitassiale a film sottile di circa il 14%.
Il trattamento superficiale al plasma
Lavorando la superficie frontale dello strato attivo di una cella solare, la dispersione della luce alla superficie cambia, influenzando di conseguenza le prestazioni della cella solare. Lo scopo è di realizzare una superficie frontale ottimale che è diffusiva al 100% (rifrazione Lambertiana, la quale mostra una dispersione completa della luce). In tal caso, i fotoni potrebbero muoversi attraverso lo strato attivo con un angolo medio di 60°, provocando un aumento della lunghezza del percorso di un fattore 2. Il altre parole, uno strato attivo di soli 20 µm si comporterebbe quindi, dal punto di vista ottico, come se fosse spesso 40 µm. Usando un trattamento superficiale al plasma basato sul fluoro, l'interfaccia ottimale alla superficie, la quale mostra proprietà di rifrazione di tipo Lambertiano, può essere ottenuta solo con una rimozione molto contenuta di silicio (solo 1,75 µm). Questo è molto importante nelle celle solari al silicio epitassiale a film sottile, dato che lo strato attivo in questo tipo di celle solari è già molto sottile (20 µm). A parte il miglioramento nell'efficienza dovuto alla dispersione ottimizzata della luce, il trattamento superficiale al plasma riduce anche la riflessione, ottiene l'accoppiamento della luce che incide in senso obliquo e abbassa la resistenza di contatto. Questo produce un ulteriore miglioramento della corrente di corto circuito con 1,0 fino a 1,5 mA/cm2 e un aumento aggiuntivo dell'efficienza dello 0,5 fino all'1,0%.
L'introduzione di specchi al silicio poroso
Un altro adattamento che migliora l'efficienza delle celle solari al silicio epitassiale a film sottile è l'inclusione di uno specchio al silicio poroso all'interfaccia fra lo strato attivo e il substrato a basso costo. Questo specchio riduce la trasmittanza della luce a lunghezza d'onda elevata all'interno del substrato. In pratica, il riflettore è realizzato tramite crescita elettrochimica di una sequenza di strati di silicio poroso che alternano strati ad elevata porosità con altri a porosità ridotta (un riflettore di Bragg multiplo), definita in base alla regola del quarto di lunghezza d'onda. Durante la crescita epitassiale dello strato attivo, il Silicio poroso nella sequenza di strati si riorganizza in strati caratterizzati dalla presenza di vuoti di dimensioni piccole e grandi, ma mantiene la propria struttura originale. Questa struttura è stata dimostrata essere un riflettore efficace.
Lo specchio riflette i fotoni che raggiungono l'interfaccia, per attraverso l'effetto Bragg (per incidenza della luce normale allo specchio) o per riflessione totale interna (per la luce che sopraggiunge in senso obliquo sullo specchio ad angoli superiori all'angolo critico). Di conseguenza, essi passano attraverso lo strato attivo per una seconda volta. I fotoni riflessi che raggiungono la superficie frontale dello strato attivo al di fuori dell'angolo di fuga (una grande parte di essi, dal momento che la luce è stata diffusa), saranno di nuovo riflessi. L'introduzione dello specchio poroso causerà quindi una riflessione multipla dei fotoni. Di conseguenza, la lunghezza del percorso ottico risulterà aumentata, producendo un aumento dell'efficienza della cella solare. È stato dimostrato che, con una superficie Lambertiana perfetta all'interfaccia, uno specchio al silicio poroso a 15 strati produrrebbe un miglioramento nella lunghezza del percorso ottico di un fattore 14, e questo significa che una cella solare al silicio epitassiale a film sottile con uno strato attivo di 15 µm si comporterebbe come una cella solare al silicio volumetrico spessa 210 µm.
L'introduzione dello specchio al silicio poroso ha prodotto una riflettanza interna dell'80-84%, in cui il 25% potrebbe essere attribuito all'effetto Bragg in sé. L'effetto potrebbe persino essere migliorato usando un progetto ottimizzato di riflettore in cui gli spessori degli strati a bassa e ad alta porosità variano con la profondità (insiemi di strati di silicio poroso modulati), producendo un aumento sostanziale della larghezza di banda del riflettore. Con questa struttura modulata specializzata, la lunghezza del percorso di fotoni a bassa energia potrebbe essere aumentata molto al di là del valore attuale di 7. Le celle solari preparate su un substrato al silicio a basso costo con questo riflettore e con i contatti serigrafati, ha raggiunto un'efficienza eccellente del 13,9% e una Jsc di 29,6 mA/cm2.
