Numerical simulation of interdigitated back contact hetero-junction solar cells

The goal of this thesis is the application of an opto-electronic numerical simulation to heterojunction silicon solar cells featuring an all back contact architecture (Interdigitated Back Contact Hetero-Junction IBC-HJ). The studied structure exhibits both metal contacts, emitter and base, at the back surface of the cell with the objective to reduce the optical losses due to the shadowing by front contact of conventional photovoltaic devices. Overall, IBC-HJ are promising low-cost alternatives to monocrystalline wafer-based solar cells featuring front and back contact schemes, in fact, for IBC-HJ the high concentration doping diffusions are replaced by low-temperature deposition processes of thin amorphous silicon layers. Furthermore, another advantage of IBC solar cells with reference to conventional architectures is the possibility to enable a low-cost assembling of photovoltaic modules, being all contacts on the same side. A preliminary extensive literature survey has been helpful to highlight the specific critical aspects of IBC-HJ solar cells as well as the state-of-the-art of their modeling, processing and performance of practical devices. In order to perform the analysis of IBC-HJ devices, a two-dimensional (2-D) numerical simulation flow has been set up. A commercial device simulator based on finite-difference method to solve numerically the whole set of equations governing the electrical transport in semiconductor materials (Sentuarus Device by Synopsys) has been adopted. The first activity carried out during this work has been the definition of a 2-D geometry corresponding to the simulation domain and the specification of the electrical and optical properties of materials. In order to calculate the main figures of merit of the investigated solar cells, the spatially resolved photon absorption rate map has been calculated by means of an optical simulator. Optical simulations have been performed by using two different methods depending upon the geometrical features of the front interface of the solar cell: the transfer matrix method (TMM) and the raytracing (RT). The first method allows to model light prop-agation by plane waves within one-dimensional spatial domains under the assumption of devices exhibiting stacks of parallel layers with planar interfaces. In addition, TMM is suitable for the simulation of thin multi-layer anti reflection coating layers for the reduction of the amount of reflected light at the front interface. Raytracing is required for three-dimensional optical simulations of upright pyramidal textured surfaces which are widely adopted to significantly reduce the reflection at the front surface. The optical generation profiles are interpolated onto the electrical grid adopted by the device simulator which solves the carriers transport equations coupled with Poisson and continuity equations in a self-consistent way. The main figures of merit are calculated by means of a postprocessing of the output data from device simulation. After the validation of the simulation methodology by means of comparison of the simulation result with literature data, the ultimate efficiency of the IBC-HJ architecture has been calculated. By accounting for all optical losses, IBC-HJ solar cells result in a theoretical maximum efficiency above 23.5% (without texturing at front interface) higher than that of both standard homojunction crystalline silicon (Homogeneous Emitter HE) and front contact heterojuction (Heterojunction with Intrinsic Thin layer HIT) solar cells. However it is clear that the criticalities of this structure are mainly due to the defects density and to the poor carriers transport mobility in the amorphous silicon layers. Lastly, the influence of the most critical geometrical and physical parameters on the main figures of merit have been investigated by applying the numerical simulation tool set-up during the first part of the present thesis. Simulations have highlighted that carrier mobility and defects level in amorphous silicon may lead to a potentially significant reduction of the conversion efficiency.

Sintesi e caratterizzazione di carboni per applicazioni in catalisi

I materiali a base di carbone vengono utilizzati in catalisi come supporti per fasi attive, ma anche direttamente come catalizzatori essi stessi, grazie soprattutto alla versatilità delle loro proprietà di massa e superficiali. L’attività catalitica dei carboni è influenzata soprattutto dalla natura, dalla concentrazione e dall’accessibilità dei siti attivi tra cui i più comuni sono: gruppi funzionali superficiali, difetti, ed eteroatomi inseriti nella struttura. Per ridurre i problemi diffusionali legati alla microporosità dei carboni attivi sono in corso numerosi studi sulla sintesi di carboni mesoporosi, i quali possono fornire benefici unici come alta area superficiale ed elevato volume dei pori, uniti a buone proprietà chimiche e stabilità meccanica. Nel corso di questa tesi, sono state svolte diverse attività finalizzate principalmente alla preparazione e alla caratterizzazione di carboni mesoporosi da utilizzare in ambito catalitico. La sintesi di carboni porosi è stata eseguita con la metodologia soft-templating, un metodo basato sulla replica di un agente templante polimerico che si organizza in micelle attorno alle quali avviene la reticolazione di un precursore polimerico termoindurente. Precursore e templante vengono pirolizzati ad elevate temperature per rimuovere in un primo momento l’agente templante e successivamente carbonizzare il precursore. Sono state scelte due metodologie di sintesi riportate in letteratura con lo scopo di sintetizzare due tipologie di carboni. La sintesi Mayes è stata utilizzata per sintetizzare carboni mesoporosi classici, mentre la sintesi Hao è stata utilizzata per ottenere carboni porosi contenenti azoto. Le due sintesi sono state ottimizzate variando diversi parametri, tra cui il tempo di reticolazione (curing) e la temperatura di pirolisi. Sui diversi carboni ottenuti sono stati effettuati alcuni trattamenti superficiali di ossidazione al fine di modificarne la funzionalità. In particolare si sono utilizzati agenti ossidanti come HNO3, H2O2 e N2O.

Fotocatalizzatori di seconda generazione: sintesi e indagine strutturale su nanoparticelle di Ti1-xVxO2

Il TiO2 è probabilmente il fotocatalizzatore maggiormente studiato in letteratura a partire già dagli anni settanta. Le applicazioni più rilevanti dei dispositivi fotocatalitici sono in campo ambientale (depurazione delle acque da inquinanti quali coloranti, microbatteri e residui metallici) e nella produzione di "solar fuel" (combustibili solari), fra questi l'idrogeno. L'idrogeno come vettore energetico è eco-compatibile e può essere utilizzato come carburante il cui prodotto di scarto è vapor d'acqua. Il biossido di titanio è uno dei materiali più promettenti per la costruzione di celle fotocatalitiche, grazie alla sua biocompatibilità e resistenza alla corrosione in ambiente acquoso. Il limite principale di questo materiale è legato allo scarso assorbimento nel visibile dovuto al band gap troppo elevato (circa 3.2 eV). Fra le varie strategie per superare questo problema, è stato mostrato che opportuni droganti permettono di incrementare la "Visible Light Activity", portando ai cosiddetti fotocatalizzatori di 2a generazione. I droganti più promettenti sono il vanadio e l'azoto che possono essere utilizzati singolarmente o in co-doping. L'inserimento di questi materiali nella matrice di TiO2 porta a un notevole miglioramento dei dispositivi abbassando il valore di band gap e permettendo un maggiore assorbimento nello spettro solare. Scopo di questa tesi è lo studio dei processi di crescita di film nanoparticellari di TiO2 drogato con vanadio. La tecnica di crescita usata è la Condensazione in Gas Inerte (IGC), mentre per l'indagine di morfologia e composizione ci si è serviti della microscopia elettronica. Con l'ausilio della diffrazione di raggi X è stato possibile controllare lo stato di cristallizzazione e determinare a quali temperature di trattamento in atmosfera ossidante avviene quest'ultima. Tramite le misure micro-Raman effettuate presso i laboratori dell'Università di Trento è stato possibile monitorare l'andamento della cristallizzazione di campioni depositati con parametri di evaporazione differenti (presenza di ossigeno o meno nell'atmosfera di evaporazione), evidenziando un maggior controllo sulla fase cristallina ottenuta per i campioni cresciuti in atmosfera ricca di ossigeno. Sono state effettuate analisi strutturali avanzate presso i laboratori ESRF di Grenoble, dove sono state portate avanti misure di assorbimento di raggi X di tipo EXAFS e XANES sulla soglia del titanio e del vanadio, evidenziando il carattere sostituzionale del vanadio all'interno della matrice di TiO2 e le diverse fasi di cristallizzazione.