Il rapporto descrive le attività svolte allo scopo di ottimizzare il processo di realizzazione di celle fotovoltaiche a film sottile basate sul semiconduttore Cu2ZnSnS4 (CZTS). Le attività svolte sono state di due tipi. Il primo ha riguardato lo sviluppo sperimentale di nuovi processi e attrezzature per la crescita dei film di CZTS, e in particolare: • l’installazione di un forno per Rapid Thermal Processing (RTP) e il suo utilizzo per delle prove di solforizzazione • lo sviluppo di un processo di deposizione del CZTS da soluzione e quindi senza uso di processi sotto vuoto. • Le procedure tecnico-economiche per passare ad un processo di crescita del CZTS basato sulla realizzazione di un precursore in cui i metalli sono già distribuiti in maniera uniforme e parzialmente solforizzati fin dall’inizio. Tali precursori possono essere ottenuti depositando contemporaneamente per sputtering i tre solfuri metallici ZnS, CuS e SnS2. A tal fine è stato effettuato un up-grade del sistema di sputtering già esistente ed è stato anche acquisito un nuovo sistema di sputtering per la deposizione dei contatti di Mo e ZnO. Il secondo filone ha riguardato lo studio di alcuni problemi di fisica di base del CZTS nella speranza che una loro migliore comprensione possa essere la chiave per individuare le strade da percorrere in maniera meno empirica. In questo campo sono stati effettuati: • Studio delle proprietà del CZTS (gap, XRD, conducibilità, assorbimento ottico sotto gap, luminescenza) al variare della composizione dei precursori e delle condizioni di solforizzazione • Studio dei profili di composizione del materiale lungo lo spessore tramite GDOES e XPS • Studio dell’allineamento di banda CdS/CZTS tramite XPS • Studio dei processi di decomposizione ed evaporazione del materiale tramite DSC/TGA Nonostante si siano ottenuti parecchi risultati interessanti, l’efficienza finale dei dispositivi non ha subito un incremento particolarmente rilevante, visto che l’efficienza massima ottenuta è stata del 2.5%. Gran parte delle difficoltà sono connesse alla mancanza di riproducibilità dei risultati, problema diffuso anche presso altri gruppi di ricerca e dovuto a caratteristiche intrinseche del CZTS. Tuttavia molti fattori importanti sono stati analizzati e compresi e questo, insieme alla futura disponibilità di attrezzature più adeguate, consentirà sicuramente di sviluppare i processi necessari a produrre dispositivi con efficienze in linea con i migliori gruppi di ricerca in ambito internazionale.

Ottimizzazione dei processi di realizzazione di dispositivi fotovoltaici in film sottili di Cu2ZnSnS4

Mittiga, A.;Santoni, A.;Arabito, G.;Salza, E.;Mangiapane, P.;Chierchia, R.;Esposito, E.;Valentini, M.;Malerba, C.
2012

Abstract

Il rapporto descrive le attività svolte allo scopo di ottimizzare il processo di realizzazione di celle fotovoltaiche a film sottile basate sul semiconduttore Cu2ZnSnS4 (CZTS). Le attività svolte sono state di due tipi. Il primo ha riguardato lo sviluppo sperimentale di nuovi processi e attrezzature per la crescita dei film di CZTS, e in particolare: • l’installazione di un forno per Rapid Thermal Processing (RTP) e il suo utilizzo per delle prove di solforizzazione • lo sviluppo di un processo di deposizione del CZTS da soluzione e quindi senza uso di processi sotto vuoto. • Le procedure tecnico-economiche per passare ad un processo di crescita del CZTS basato sulla realizzazione di un precursore in cui i metalli sono già distribuiti in maniera uniforme e parzialmente solforizzati fin dall’inizio. Tali precursori possono essere ottenuti depositando contemporaneamente per sputtering i tre solfuri metallici ZnS, CuS e SnS2. A tal fine è stato effettuato un up-grade del sistema di sputtering già esistente ed è stato anche acquisito un nuovo sistema di sputtering per la deposizione dei contatti di Mo e ZnO. Il secondo filone ha riguardato lo studio di alcuni problemi di fisica di base del CZTS nella speranza che una loro migliore comprensione possa essere la chiave per individuare le strade da percorrere in maniera meno empirica. In questo campo sono stati effettuati: • Studio delle proprietà del CZTS (gap, XRD, conducibilità, assorbimento ottico sotto gap, luminescenza) al variare della composizione dei precursori e delle condizioni di solforizzazione • Studio dei profili di composizione del materiale lungo lo spessore tramite GDOES e XPS • Studio dell’allineamento di banda CdS/CZTS tramite XPS • Studio dei processi di decomposizione ed evaporazione del materiale tramite DSC/TGA Nonostante si siano ottenuti parecchi risultati interessanti, l’efficienza finale dei dispositivi non ha subito un incremento particolarmente rilevante, visto che l’efficienza massima ottenuta è stata del 2.5%. Gran parte delle difficoltà sono connesse alla mancanza di riproducibilità dei risultati, problema diffuso anche presso altri gruppi di ricerca e dovuto a caratteristiche intrinseche del CZTS. Tuttavia molti fattori importanti sono stati analizzati e compresi e questo, insieme alla futura disponibilità di attrezzature più adeguate, consentirà sicuramente di sviluppare i processi necessari a produrre dispositivi con efficienze in linea con i migliori gruppi di ricerca in ambito internazionale.
Celle fotovoltaiche
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