Sviluppo di celle solari Schottky basate sulla giunzione grafene/silicio

Schottky barrier solar cells, based on the rectifying junction which forms between a metal and a semiconductor, offers t the advantage of an easier and cheaper fabrication process with respect to other well-established technologies such as the typical p-n junction cell, which requires high-temperature diffusion processes. However in the conventional Schottky junction solar cell the conductive metal layer absorbs and reflects most of the solar radiation and hence limits the energy conversion efficiency. A way to overcome this disadvantage is to replace the metal layer with transparent conductive oxides such as indium-tin oxide (ITO). Conversely ITO has a low chemical and mechanical stability and presents high production costs. Graphene is a new material consisting of a two-dimensional carbon conjugated honeycomb lattice and opens new perspectives in the field of Schottky junction solar cells owing to its fascinating physical properties: near-zero band-gap, high electrical conductivity, ultrahigh mobility, high elasticity and high optical transparency. Our experimental activity has been focused on the fabrication and characterization of graphene/silicon Schottky barrier solar cells. Graphene films were grown by chemical vapor deposition (CVD) and transferred onto pre-patterned n-type crystalline silicon wafers. In order to improve the performances of this type of cells and increase the conversion efficiency we have employed molecular doping for increasing graphene’s conductivity and an antireflection treatment on the top of the cell to reduce the reflection of sunlight. In this report the optimal CVD growth and doping conditions are reported; the structural and electrical characterization of graphene and of the final solar cell are presented and discussed. The critical analysis of our graphene/silicon solar cell performance (which, in terms of power conversion efficiency reached 8.54%) paves the way to further exploration aimed at improving the solar cell performances and to a better understanding of graphene’s potentiality in the photovoltaic field.

La cella solare Schottky, basata sulla giunzione metallo/semiconduttore, ha il vantaggio di presentare costi più contenuti ed una maggiore semplicità di produzione rispetto alla più nota ed utilizzata giunzione p-n, la cui realizzazione richiede lavorazioni ad alta temperatura e implica l’utilizzo di processi complessi. Nelle convenzionali celle solari basate sulle giunzioni Schottky, però, il film continuo di metallo assorbe e/o riflette la maggior parte della radiazione incidente, limitando l’efficienza di conversione dei dispositivi. Un modo per superare questo inconveniente è quello di rimpiazzare il metallo con ossidi trasparenti e conduttivi, come, ad esempio, l’ossido di indio stagno (ITO), che però è poco stabile chimicamente e meccanicamente oltre ad essere molto costoso. l’Indio è inoltre tossico e di reperibilità dubbia in quantità elevate. Il grafene è un materiale bidimensionale formato da atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale, e grazie alle sue affascinanti proprietà fisiche, quali la struttura elettronica a gap nulla, l’altissima conducibilità elettrica e termica, le elevate mobilità dei portatori di carica, resistenza meccanica e trasparenza ottica, trova numerose possibili applicazioni nel campo delle celle solari. L’attività sperimentale descritta in questo lavoro è stata focalizzata alla fabbricazione e caratterizzazione, presso i laboratori dell’ENEA, di celle fotovoltaiche di tipo Schottky basate sull’eterogiunzione grafene-silicio. Il grafene viene cresciuto mediante tecnologia CVD (Chemical Vapor Deposition) e poi trasferito sui substrati di silicio opportunamente processati al fine di ottenere le dimensioni e la geometria di cella desiderate. Al fine di aumentare le prestazioni delle celle si procede, poi, ad effettuare un drogaggio molecolare del grafene e a realizzare sul lato frontale del dispositivo un doppio strato antiriflesso. In questo documento vengono descritti i processi di crescita e di drogaggio del materiale; vengono inoltre presentate le caratterizzazioni strutturali ed elettriche del grafene e del dispositivo finito. L’analisi critica dei risultati finora raggiunti (che in termini di efficienza di conversione fotovoltaica si attestano, per il momento, all’8.54%) apre la strada ad ulteriori indagini finalizzate sia al miglioramento delle prestazioni di questo tipo di dispositivo sia ad una maggiore comprensione delle potenzialità del grafene in ambito fotovoltaico.