Sintesi via sol-gel di ossidi trasparenti e conduttivi a base di ZnO per applicazioni fotovoltaiche

L’utilizzo di una tecnica “no-vacuum”, quale quella sol-gel, per la realizzazione di un film sottile di ZnO (TCO) con caratteristiche ottiche, morfologiche ed elettriche tali da candidarlo come elemento attivo di un elettrodo frontale di una cella solare a film-sottile (TFSC) rappresenta l’idea alla base di questo progetto di ricerca. Per perseguire questo obiettivo si sono esplorate diverse strategie, tra loro sinergiche, quali la realizzazione di film multi-strato, il drogaggio con elementi aliovalenti a partire dal B e/o con l’idrogeno, l’utilizzo di valori elevati del pH (campo basico) del mezzo di reazione. Il drogaggio dei film è stato eseguito perseguendo due strategie diverse. Una ricorreva all’utilizzo di un elemento aliovalente, il boro; l’altra prevedeva il ricorso a trattamenti termici eseguiti in atmosfera parzialmente riducente, utilizzando una miscela gassosa di azoto ed idrogeno (FG). Il livello di drogaggio ottimale per ora raggiunto si ha per un film ZnO:B (0,8 % in atomi); mentre il trattamento termico ottimale in FG (H2 5 % in volume) è risultato essere 450 °C per 0,5 h. A partire da una soluzione-scorta a pH = 7,6, si sono ottenuti valori di spessore significativamente elevati che hanno raggiunto il valori superiori a 400 nm per i film a 10 strati di ZnO e di ZnO:B (0,8 % in atomi). Le caratteristiche morfologiche di questi film multi-strato risultano migliorate rispetto a quelle dei film mono-strato, mostrando maggiore uniformità ed omogeneità e minore porosità. Il grado di cristallinità dei film multi-strato risulta più elevato e le caratteristiche ottiche non subiscono particolari decadimenti se confrontate con quelle dei film mono-strato, riuscendo a conservare una trasmittanza di circa l’85 %, come valore medio calcolato sull’intero intervallo spettrale del visibile. I film ottenuti dalla soluzione-scorta a pH 8,0, presentano a parità del numero di strati, valori di spessore estremamente più elevati. Ad esempio, per i film a 8 strati di ZnO, si osserva uno spessore di circa 775 nm (pH=8,0) invece che circa di 300 nm (pH=7,6). Le caratteristiche morfologiche appaiono migliorate e la dimensione media dei grani cristallini risulta più elevata. Questi miglioramenti si riflettono sui valori di resistività, che a parità del numero di strati, risultano essere più bassi dei corrispondenti film ottenuti a pH = 7,6. La sperimentazione sui film ottenuti dalla soluzione-scorta a pH = 9,0 è solo all’inizio, anche se si è già ottenuto uno dei risultati più significativi dell’intera sperimentazione. Infatti, questi film sono caratterizzati da valori di trasmittanza diffusa elevata, tale da consentire un efficace intrappolamento della radiazione luminosa all’interno della cella e da più bassi valori di resistenza. Utilizzando un film a 8 strati di ZnO:B (0,8 % in atomi) ottenuto da questa soluzione si è realizzata una TFSC che presenta le seguenti caratteristiche: Voc = 0,4 V; Isc = 10 mA; fattore di riempimento = 27,8%; efficienza pari a circa 1.3 %. La cella ottenuta rappresenta uno dei primi esempi di TFSC che utilizza un elettrodo frontale ottenuto via sol-gel.