Light trapping in ultra-thin solar cell

??Lo sviluppo di celle solari ultra-sottili è motivato dalla crescente necessità di tecnologie fotovoltaiche leggere, flessibili ed efficienti dal punto di vista delle risorse. Ridurre lo spessore degli strati assorbenti consente di diminuire il consumo di materiali e i costi di produzione, aprendo al contempo la strada ad applicazioni in dispositivi portatili, substrati flessibili o ambienti con vincoli di spazio come lo spazio. Tuttavia, questa riduzione di spessore pone una sfida fondamentale: mantenere un’elevata assorbimento ottico con meno materiale. Questo rapporto esplora diverse strategie di intrappolamento della luce per affrontare questa problematica, combinando simulazioni ottiche, tecniche di nano-fabbricazione e ottimizzazione dei processi. Utilizzando il metodo Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA), abbiamo studiato nano-strutture periodiche come reticoli di diffrazione e specchi di Bragg per aumentare l’assorbimento e migliorare il bilanciamento della corrente in celle solari tandem. Sono state confrontate due configurazioni: un sistema con doppio reticolo e una struttura ibrida che combina uno specchio di Bragg con un reticolo. Lo studio ha evidenziato compromessi tra foto-corrente totale e selettività spettrale, con ciascun design più o meno adatto in base allo spessore degli assorbitori e all’applicazione prevista. Per superare i limiti delle strutture rigorosamente periodiche, abbiamo esplorato la litografia a miscela di polimeri, che consente di creare nano-strutture pseudo-periodiche. Regolando i rapporti tra i polimeri e i parametri di spin-coating, abbiamo dimostrato la possibilità di controllare la morfologia dei pattern formati. Questi risultati sperimentali sono stati supportati da simulazioni che utilizzano un modello di campo di fase dipendente dalla composizione, offrendo una comprensione della dinamica della separazione di fase e della formazione delle strutture. Questo approccio apre la strada alla realizzazione di strati disordinati per l’intrappolamento della luce, ma con risposte ottiche controllate, anche in assenza di perfetta periodicità. Infine, per rendere concreta la realizzazione di celle solari ultra-sottili in silicio, stiamo sviluppando un processo di incisione chimica umida capace di ridurre i wafer standard da 400 µm a spessori inferiori a 40 µm, mantenendo superfici pulite e lisce. Il processo è ottimizzato per garantirne la riproducibilità e la compatibilità con le successive fasi di integrazione. Nel complesso, questi tre approcci costituiscono le fondamenta dei dispositivi fotovoltaici di nuova generazione, combinando progettazione ottica avanzata, nano-fabbricazione e ingegneria dei materiali.