Potenzialità e limiti del silicio germanio microcristallino come strato assorbitore in celle solari a film sottile di silicio

In the past decade significant improvement of the thin film solar cell efficiency has been obtained by employing the ‘micromorph’ tandem structure, which uses amorphous silicon (a-Si:H) in the top junction and microcrystalline silicon (μc-Si:H) in the bottom junction. The weakness of this structure is the need for a rather thick microcrystalline bottom cell (usually ≥ 2 μm). Researchers are then working on the development of proper high growth rate regimes. A valid alternative could be the use of a different absorber layer characterized by larger absorption with respect to μc-Si:H, so that the bottom cell thickness could be reduced while keeping a proper absorption in the near infrared region of the solar spectrum. The experimental activity here described has been focused on the possible use of hydrogenated microcrystalline silicon germanium alloys (μc-Si1-xGex:H or briefly μc-SiGe:H), as these materials have larger absorption coefficient than μc-Si:H in the relevant spectral region. μc-Si1-xGex:H films with variable Ge content and different hydrogen dilution have been fabricated and characterized. The selected deposition technique is the Very High Frequency - Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (VHF-PECVD) at 100 MHz, as for the μc-Si:H developed in our laboratory. The most promising materials have been tested within solar cells of different architectures. In this report the optimal material growth conditions are shown and increased light absorption with respect to standard solar cells with μc-Si:H absorber is demonstrated, complemented however by electrical issues. In conclusion the limits of this technological approach are discussed.

Nell’ultima decina d’anni sono stati ottenuti notevoli miglioramenti delle efficienze delle celle a film sottile di silicio utilizzando la giunzione tandem chiamata “micromorfa”, fabbricata utilizzando il silicio amorfo (a-Si:H) nella giunzione top e il silicio microcristallino (μc-Si:H) nella giunzione bottom. Lo svantaggio di tale struttura è la necessità di utilizzare una cella bottom microcristallina relativamente spessa (tipicamente ≥ 2 μm). Se da una parte si sta lavorando allo sviluppo di regimi di crescita caratterizzati da alte velocità di deposizione, una valida alternativa potrebbe essere l’uso di un materiale assorbitore caratterizzato da un assorbimento più elevato rispetto al silicio microcristallino in modo da ridurre lo spessore della cella bottom mantenendo però un adeguato assorbimento nella regione infrarossa dello spettro solare. L’attività sperimentale descritta in questo lavoro è stata focalizzata sul possibile impiego di leghe di silicio germanio microcristallino idrogenato (μc-Si1-xGex:H o più sinteticamente μc-SiGe:H), in quanto tali materiali presentano coefficienti di assorbimento più elevati del μc-Si:H nella regione spettrale di interesse. Sono stati realizzati e caratterizzati film di μc-Si1-xGex:H a contenuto variabile di Ge e a diverse diluizioni di idrogeno. La tecnica di deposizione adottata è la Very High Frequency - Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (VHF-PECVD) a 100 MHz, come per il μc-Si:H sviluppato nel nostro laboratorio. I materiali più promettenti sono stati testati in celle solari di diverse architetture. In questo documento sono evidenziate le condizioni di crescita ottimali del materiale ed è dimostrato un effettivo incremento di assorbimento della luce rispetto ai dispositivi che fanno uso di μc-Si:H, accompagnato però da problemi di natura elettrica. A conclusione del lavoro sono discussi i limiti di questo approccio tecnologico.