Dispositivi fotovoltaici che convertono direttamente la luce solare in energia elettrica sono importanti per la realizzazione di sistemi di approvvigionamento di energia rinnovabile. Oggi i moduli a base di silicio stanno dominando il mercato del fotovoltaico, ma diverse tecnologie emergenti basate sui film sottili di semiconduttori inorganici, sui materiali sensibilizzati con coloranti e sui materiali organici stanno progredendo rapidamente.
Uno dei maggiori vantaggi nell'utilizzo del film sottile è la possibilità di realizzare celle solari direttamente su substrati flessibili, consentendo l'impiego di tecniche industriali di deposizione "roll-to-roll".
Oltre alla riduzione dei costi, dispositivi fotovoltaici flessibili consentono nuove opportunità in settori quali l'integrazione nell'edilizia o nei dispositivi elettronici portatili. Tuttavia l'efficienza di conversione delle celle solari flessibili è sempre stato fino ad ora notevolmente inferiore rispetto ai dispositivi fotovoltaici su substrati rigidi .
Tra le tecnologie a film sottile, quella basata sul Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) presenta la più alta efficienza di conversione (20,8%), utilizzando un vetro rigido come substrato . I substrati vetrosi rigidi sono stati finora favoriti perché consentono temperature di deposizione elevate, fino a 600° C, hanno un coefficiente di espansione termica simile a CIGS , e durante la crescita forniscono la giusta quantità di Na necessaria per ottenere dispositivi ad alta efficienza. Al contrario , un substrato plastico e flessibile come la poli-immide è in grado di sopportare temperature molto minori di 500 ° C: a queste temperature è molto difficile ottenere strati CIGS di alta qualità. In più la polimmide ha un mismatch termico molto alto con il CIGS, e non contenendo elementi alcalini, il Na non può essere fornito direttamente dal substrato. Un altra limitazione dell'attuale tecnologia di fabbricazione di celle basate sul CIGS è rappresentata dalla complessità della tecnica di co-evaporazione termica a multi-stadio, con la quale è stato raggiunto l'attuale record di 20,8 %. Questa tecnica è generalmente considerata inadatta per la produzione di massa a causa dei suoi numerosi step di trasformazione del materiale, insieme alla scarsa riproducibilità di composizione su larghe aree. La tecnica di Sputtering, basata sulla deposizione dei precursori metallici seguite da una fase di post - selenizzazione sembra essere un processo più adeguato per la produzione industriale, ma la inevitabile fase di selenizzazione ha un forte impatto in termini economici e ambientali (l'H2Se solitamente utilizzato è altamente tossico) e le temperature di trattamento sono molto alte. Per superare le limitazioni dei processi a multi-stadio, diversi processi a singolo stadio basati su sputtering e co- evaporazione sono stati proposti come alternative più convenienti. Le efficienze misurate sulle celle realizzate con questi processi semplificati sono in genere inferiori del 12,5 %, con un'eccezione eclatante del 18 % ottenuto da un processo di co-evaporazione "in line" ad una temperatura di crescita di 550 ° C. Recentemente nel nostro laboratorio "PED" dell'IMEM di Parma abbiamo raggiunto efficienze superiori al 15 % su celle solari basate sul CIGS utilizzando bassissime temperature ( < 300 ° C) con un processo di deposizione a singolo stadio basato sulla tecnica Pulsed Electron Deposition ( PED ). La PED è una tecnica di deposizione di film sottile basata sull'ablazione di un materiale solido (target) avente la composizione chimica desiderata, da parte di un fascio elettronico ad alta potenza. Fasci elettronici impulsati con una durata di circa 100 ns impattano sul target, dissipando una densità di potenza dell'ordine di 108 W/cm2 in una regione del target distante circa 1 micron dalla sua superficie. Questo impatto provoca una rapida evaporazione fuori dall' equilibrio termodinamico di tutti gli elementi del target, con la conseguente formazione di una "piuma" di plasma che viaggia verso la superficie del substrato. All'interno della piuma gli ioni presentano una grande energia cinetica media (> 10 eV). Quando la piuma arriva sul substrato, l'alta energia cinetica degli adatomi si riflette in un'alta mobilità di diffusione sulla superficie del substrato, indipendente dalla temperatura del substrato stesso. La conseguenza di questa particolare distribuzione energetica dell'evaporato è che per ottenere film di buona qualità non si necessita di alte temperature di substrato, compensate dalle alte energie cinetiche dei vapori. Il processo PED può quindi avvenire a temperature molto inferiori rispetto allo sputtering o alla co- evaporazione. I due principali parametri del processo la cui ottimizzazione ha permesso di ottenere celle con efficienza > 15 % sono il drogaggio di Na e la qualità dei target utilizzati per la deposizione PED. Il controllo del drogaggio di tipo p dei film CIGS è un parametro cruciale per migliorare il rendimento celle solari ed è ora ampiamente accettato che il livello di drogaggio sia controllato principalmente dalla concentrazione di Na dal suo profilo di diffusione. Nel nostro processo di deposizione a bassa temperatura, la sorgente di Na consiste in un film di fluoruro di sodio (NaF), spesso poche decine di nm e depositato via PED tra il contatto posteriore in Mo e il CIGS .
I target di CIGS utilizzati nel processo di ablazione sono stati ottenuti mediante sintesi ad alta temperatura delle specie elementari (Cu, In, Ga e Se), utilizzando come incapsulante l'ossido di boro. Questo processo, sviluppato in precedenza per la sintesi di target policristallini ad alta purezza di CdTe e di altri semiconduttori III-V/II-VI, è in grado di preservare la stechiometria iniziale grazie all' incapsulamento di ossido di boro e all'utilizzo di una contro-pressione ( 30 ÷ 40 bar Ar ), che inibiscono l'evaporazione del Se. Grazie a queste soluzioni le celle solari basate su CIGS possono essere realizzate a basso costo e a bassa temperatura mediante la tecnica PED su una grande varietà di substrati diversi, anche su plastiche basso-fondenti, rendendo così fattibile la fabbricazione di celle solari flessibili.
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