Simulazione numerica di celle solari in silicio ad eterogiunzione ad un sole e in concentrazione

Il lavoro di tesi ha come obiettivo lo studio e lo sviluppo tramite simulazioni numeriche di due celle in silicio ad eterogiunzione, una con parametri forniti dal CNR (Comitato Nazionale delle Ricerche) ed un’altra di tipo HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer). Lo studio e lo sviluppo delle due celle sono stati effettuati mediante un flusso TCAD il quale permette una maggiore flessibilità e completezza nella descrizione dei modelli fisici ed elettrici.

Simulazione numerica di celle solari Metal Wrap Through (MWT) con passivazione dell'interfaccia di base e contatti puntuali

L'energia solare rientra nel gruppo delle energie rinnovabili, ovvero che provengono da una fonte il cui utilizzo attuale non ne pregiudica la disponibilità nel futuro. L'energia solare ha molti vantaggi, poiché è inesauribile ed è una risorsa d'immediata disponibilità perché giunge attraverso i raggi del sole. La conversione fotovoltaica sfrutta il meccanismo di generazione di carica elettrica prodotto dall'interazione della radiazione luminosa su di un materiale semiconduttore. La necessità di creare energia riducendo al minimo l'impatto ambientale ed il contemporaneo aumento del prezzo di fonti fossili come ad esempio il petrolio ed il carbone (senza trascurare il fatto che le riserve di essi sono, di fatto, esauribili) ha portato un aumento considerevole della produzione di energia elettrica tramite conversione fotovoltaica. Allo stato attuale dell'economia e dei mercati, sebbene il settore fotovoltaico sia in forte crescita, non è esente da un parametro che ne descrive le caratteristiche economiche ed energetiche, il cosiddetto rapporto costo/efficienza. Per efficienza, si intende la quantità di energia elettrica prodotta rispetto alla potenza solare incidente per irraggiamento, mentre per costo si intende quello sostenuto per la costruzione della cella. Ridurre il rapporto costo/efficienza equivale a cercare di ottenere un'efficienza maggiore mantenendo inalterati i costi, oppure raggiungere una medio-alta efficienza ma ridurre in maniera significativa la spesa di fabbricazione. Quindi, nasce la necessità di studiare e sviluppare tecnologie di celle solari all'avanguardia, che adottino accorgimenti tecnologici tali per cui, a parità di efficienza di conversione, il costo di produzione della cella sia il più basso possibile. L'efficienza dei dispositivi fotovoltaici è limitata da perdite ottiche, di ricombinazione di carica e da resistenze parassite che dipendono da diversi fattori, tra i quali, le proprietà ottiche e di trasporto di carica dei materiali, l'architettura della cella e la capacità di intrappolare la luce da parte del dispositivo. Per diminuire il costo della cella, la tecnologia fotovoltaica ha cercato di ridurre il volume di materiale utilizzato (in genere semiconduttore), dal momento in cui si ritiene che il 40% del costo di una cella solare sia rappresentato dal materiale. Il trend che questo approccio comporta è quello di spingersi sempre di più verso spessori sottili, come riportato dalla International Technology Roadmap for Photovoltaic, oppure ridurre il costo della materia prima o del processo. Tra le architetture avanzate di fabbricazione si analizzano le Passivated Emitter and Rear Cell-PERC e le Metal Wrap Through-MWT Cell, e si studia, attraverso simulazioni numeriche TCAD, come parametri geometrici e di drogaggio vadano ad influenzare le cosiddette figure di merito di una cella solare.

Polialchiltiofeni contenenti derivati porfirinici per applicazioni in celle solari polimeriche

Il presente lavoro di tesi di laurea magistrale si è proposto di sintetizzare composti polimerici basati su un derivato del 3-esiltiofene e sulla porfirina per preparare materiali da utilizzare nelle celle fotovoltaiche. Politiofeni con queste caratteristiche sono stati sintetizzati a partire da un monomero -bromoalchiltiofenico, il 3-(6-bromoesil)tiofene (T6Br), dal quale è stato ottenuto il corrispondente derivato polimerico poli[3-(6-bromoesil)]tiofene (PT6Br). Esso è stato preparato con un metodo non regiospecifico, utilizzando la comune tecnica di polimerizzazione ossidativa in presenza di FeCl3. Il monomero T6Br è stato funzionalizzato con idrossifenil porfirina (TPPOH) per dare il 3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esiltiofene (T6TPP). Poiché la polimerizzazione diretta di questo monomero non si è mostrata una via percorribile, a causa dell’elevato ingombro del sostituente presente sulla catena macromolecolare, è stata effettuata l’eterificazione sul polimero bromurato PT6Br per ottenere il poli[3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esiltiofene] (PT6TPP). Contemporaneamente è stato sintetizzato il copolimero poli[(3-(6-bromoesil)]tiofene)-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esiltiofene)] (P(T6Br-co-T6TPP)) allo scopo di valutare l’effetto del diverso grado di sostituzione della catena polimerica sulle proprietà del polimero. Anch’esso è stato preparato con un metodo non regiospecifico, utilizzando la tecnica di polimerizzazione ossidativa in presenza di FeCl3. I prodotti sintetizzati sono stati caratterizzati mediante le comuni tecniche spettroscopiche (FTIR, NMR, UV-vis) e ne sono state determinate le proprietà termiche. I pesi molecolari medi e le relative distribuzioni sono stati determinati mediante cromatografia a permeazione su gel (GPC). Infine, con P(T6Br-co-T6TPP) e PT6Br sono state effettuate prove preliminari di preparazione e caratterizzazione di dispositivi per valutare la possibilità di un loro utilizzo come materiali per celle fotovoltaiche.

Deposizione elettrochimica di film polimerici foto-attivi per la realizzazione di celle solari

Plastic solar cells bear the potential for large-scale power generation based on flexible, lightweight, inexpensive materials. Since the discovery of the photo-induced electron transfer from a conjugated polymer (electron-donor) to fullerene or its derivatives molecules (electron-acceptors), followed by the introduction of the bulk heterojunction concept which means donors and acceptors blended together to realize the fotoactive layer, materials and deposition techniques have been extensively studied. In this work, electrochemical-deposition methods of polymeric conductive films were studied in order to realize bulk heterojunction solar cells. Indium Tin Oxide (ITO) glass electrodes modified with a thin layer of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) were electrochemically prepared under potentiodynamic and potentiostatic conditions; then those techniques were applied for the electrochemical co-deposition of donor and acceptor on modified ITO electrode to produce the active layer (blend). For the deposition of the electron-donor polymer the electropolymerization of many functionalized thiophene monomers was investigated while, as regards acceptors, fullerene was used first, then the study was focused on its derivative PCBM ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester). The polymeric films obtained (PEDOT and blend) were electrochemically and spectrophotometrically characterized and the film thicknesses were evaluated by atomic force microscopy (AFM). Finally, to check the performances and the efficiency of the realized solar cells, tests were carried out under standard conditions. Nowadays bulk heterojunction solar cells are still poorly efficient to be competitively commercialized. A challenge will be to find new materials and better deposition techniques in order to obtain better performances. The research has led to several breakthroughs in efficiency, with a power conversion efficiency approaching 5 %. The efficiency of the solar cells produced in this work is even lower (lower than 1 %). Despite all, solar cells of this type are interesting and may represent a cheaper and easier alternative to traditional silicon-based solar panels.

Analisi di celle solari "back contact" mediante simulatore di reti elettriche distribuite basato su spice

Analisi di celle solari mediante simulatore di reti elettriche distribuite basato su Spice

Complessi tetrazolici di Ru(II) come fotoassorbitori per celle solari di tipo DSSC

Questo lavoro di tesi sperimentale è stato dedicato alla sintesi di alcuni nuovi complessi tetrazolici di Ru(II) e, in collaborazione con il personale dell’istituto ISTEC-CNR di Faenza, al loro impiego come fotoassorbitori per celle solari di tipo DSSC. L’idea progettuale alla base di questa attività è scaturita dalla volontà di modificare la struttura di due coloranti di riferimento (N719 e N749) sostituendo i gruppi tiocianato (SCN-) coordinati al centro metallico con leganti tetrazolici opportunamente funzionalizzati. In questo elaborato si riporta la descrizione e la discussione dettagliata della sintesi dei complessi, della loro caratterizzazione e delle performances delle celle DSSC contenenti tali complessi come fotoassorbitori.

Celle solari ultra-sottili in silicio

Con l’incremento della popolazione mondiale e la conseguente crescita del fabbisogno di energia dovuta a nuovi lavori e sempre più macchinari in circolazione, è insorta l'esigenza di produrre più energia elettrica. A partire dagli anni ’50 numerosi scienziati hanno analizzato il problema energetico e sono giunti alla conclusione che fonti di energia come petrolio, carbone e gas non erano in grado di soddisfare il bisogno umano sul lungo termine e si è quindi passati alla ricerca di altre fonti di energia come il nucleare. Oggi, grazie ad un progetto ed uno studio di circa 50 anni fa – finalizzato alla alimentazione di satelliti geostazionari - , si sta sempre di più affermando la scelta del fotovoltaico, in quanto rappresenta un’energia pulita e facilmente utilizzabile anche nei luoghi dove non è possibile avere un allaccio alla normale rete elettrica. La ricerca di questo nuovo metodo di produrre energia, che tratta la conversione di luce solare in energia elettrica, si è evoluta, differenziando materiali e metodi di fabbricazione delle celle fotovoltaiche, e quindi anche dei moduli fotovoltaici. Con la crescente produzione di apparati elettronici si è arrivati però ad avere un nuovo problema: il consumo sempre maggiore di silicio con un conseguente aumento di prezzo. Negli ultimi anni il prezzo del silicio è significativamente aumentato e questo va a pesare sull’economia del pannello fotovoltaico, dato che questo materiale incide per il 40-50% sul costo di produzione. Per questo motivo si sono voluti trovare altri materiali e metodi in grado di sostituire il silicio per la costruzione di pannelli fotovoltaici, con il seguire di nuovi studi su materiali e metodi di fabbricazione delle celle. Ma data la conoscenza e lo studio dovuto ai vari utilizzi nell’elettronica del silicio, si è anche studiato un metodo per ottenere una riduzione del silicio utilizzato, creando wafer in silicio sempre più sottili, cercando di abbassare il rapporto costo-watt , in grado di abbassare i costi di produzione e vendita.

Evoluzione delle celle solari al silicio

Negli ultimi anni si è assistito nel panorama mondiale ad un notevole ed importante cambiamento nell’asset della produzione dell’energia elettrica. L’aumentare del costo nell'estrazione dei combustibili fossili ed il conseguente impatto ambientale che questi hanno nell'atmosfera ha influito notevolmente sullo sviluppo e sulla diffusione della tecnologia fotovoltaica. L’evoluzione di questa tecnologia ha permesso di raggiungere la “grid parity”, ossia l’uguaglianza tra il costo di 1 kWh prodotto dal fotovoltaico con 1 kWh prodotto da fonti fossili, per molte aree del pianeta. Tale tecnologia non è recente, già negli anni ‘60 si svilupparono i primi studi a riguardo, ma negli ultimi anni ha subito notevoli migliorie che l’hanno portata ad essere competitiva nel settore dell’energia elettrica. Il presente lavoro di tesi riporta una rassegna delle celle solari a base di silicio, a partire dal silicio monocristallino, al silicio poli e multi cristallino, fino ad arrivare a celle a film sottile o celle costituite da materiali multi-fase contenenti strutture quantiche e nanocristalli di Si. Negli ultimi anni tutti gli studi si stanno concentrando su un nuovo tipo di fotovoltaico, quello di terza generazione, il cui scopo è quello di ottenere dispositivi che, ad un prezzo molto contenuto dovuto ad un utilizzo di materiali economici come i Si-NCs (nano cristalli di silicio), possano garantire elevate efficienze in modo tale che la tecnologia fotovoltaica sia in grado di affermarsi definitivamente nel settore dell’energia.

Studio di celle solari innovative basate su "multiple electron-hole generation"

L’aumento dei consumi energetici e la sempre maggiore attenzione posta al tema ambientale fanno delle energie alternative una valida alternativa alle fonti , quali carbone e petrolio,che presentano una elevata generazione di gas serra . Tra le varie fonti alternative di energia un ruolo preponderante è stato assunto dal solare fotovoltaico, che dagli anni ’80 ad oggi ha conosciuto un rapido sviluppo sia in termini di ricerca che di utilizzo su larga scala. Negli ultimi anni tutti gli studi si stanno concentrando su un nuovo tipo di fotovoltaico, quello di terza generazione , il cui scopo è quello di ottenere dispositivi che possano garantire elevate efficienze in modo tale che la tecnologia fotovoltaica sia in grado di affermarsi definitivamente nel settore dell’energia. Il presente lavoro di tesi analizza il processo di conversione fotovoltaica ed il principio di funzionamento delle celle solari . I limiti termodinamici per l'efficienza di conversione di celle solari a singola giunzione sono stati discussi nella tesi. E' presentata nella tesi una rassegna delle principali strategie per il superamento dei limiti termodinamici per l'efficienza di una cella solare a singola giunzione . Sono stati analizzati : •il processo di rilassamento intrabanda dei nanocristalli ; •la generazione multipla di eccitoni (MEG) •il processo di Generazione di eccitoni multipli in nanocristalli di silicio colloidali (MEG in Si NCs). Tali risultati rivestono un particolare interesse per lo sviluppo di celle solari innovative , ad alta efficienza di conversione , utilizzando un materiale facilmente reperibile ed economico come appunto è il Silicio.

Sintesi e caratterizzazione di nuovi materiali politioalchiltiofenici per applicazioni in celle solari bulk-heterojunction

L’oggetto della presente tesi di laurea magistrale consiste nello studio di polimeri coniugati nella catena principale, per una loro applicazione come materiali fotoattivi in celle fotovoltaiche. In particolare, sono stati sintetizzati e caratterizzati politiofeni tioalchil sostituiti, funzionalizzati in posizione 3-3' con catene alchiliche di diversa lunghezza e grado di ramificazione (tra cui una chirale), al fine di studiarne l'effetto sulle proprietà ottiche ed elettriche del materiale. I polimeri ottenuti sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche (1H-NMR, UV-PL), cromatografia a permeazione su gel (GPC), analisi termiche (DSC, TGA) e misure elettrochimiche (voltammetria ciclica). Il comportamento chiro-ottico del campione chirale è stato inoltre valutato tramite misure di dicroismo circolare. Si è infine testata l’efficienza delle celle fotovoltaiche ottenute utilizzando i polimeri sintetizzati come materiale fotoattivo.

Advanced Numerical Simulation of Silicon-Based Solar Cells

Photovoltaic (PV) conversion is the direct production of electrical energy from sun without involving the emission of polluting substances. In order to be competitive with other energy sources, cost of the PV technology must be reduced ensuring adequate conversion efficiencies. These goals have motivated the interest of researchers in investigating advanced designs of crystalline silicon solar (c-Si) cells. Since lowering the cost of PV devices involves the reduction of the volume of semiconductor, an effective light trapping strategy aimed at increasing the photon absorption is required. Modeling of solar cells by electro-optical numerical simulation is helpful to predict the performance of future generations devices exhibiting advanced light-trapping schemes and to provide new and more specific guidelines to industry. The approaches to optical simulation commonly adopted for c-Si solar cells may lead to inaccurate results in case of thin film and nano-stuctured solar cells. On the other hand, rigorous solvers of Maxwell equations are really cpu- and memory-intensive. Recently, in optical simulation of solar cells, the RCWA method has gained relevance, providing a good trade-off between accuracy and computational resources requirement. This thesis is a contribution to the numerical simulation of advanced silicon solar cells by means of a state-of-the-art numerical 2-D/3-D device simulator, that has been successfully applied to the simulation of selective emitter and the rear point contact solar cells, for which the multi-dimensionality of the transport model is required in order to properly account for all physical competing mechanisms. In the second part of the thesis, the optical problems is discussed. Two novel and computationally efficient RCWA implementations for 2-D simulation domains as well as a third RCWA for 3-D structures based on an eigenvalues calculation approach have been presented. The proposed simulators have been validated in terms of accuracy, numerical convergence, computation time and correctness of results.

Manufacturing and characterization of amorphous silicon alloys passivation layers for silicon hetero-junction solar cells

Nel presente lavoro di tesi magistrale sono stati depositati e caratterizzati film sottili (circa 10 nm) di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), studiando in particolare leghe a basso contenuto di ossigeno e carbonio. Tali layer andranno ad essere implementati come strati di passivazione per wafer di Si monocristallino in celle solari ad eterogiunzione HIT (heterojunctions with intrinsic thin layer), con le quali recentemente è stato raggiunto il record di efficienza pari a 24.7% . La deposizione è avvenuta mediante PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition). Tecniche di spettroscopia ottica, come FT-IR (Fourier transform infrared spectroscopy) e SE (spettroscopic ellipsometry) sono state utilizzate per analizzare le configurazioni di legami eteronucleari (Si-H, Si-O, Si-C) e le proprietà strutturali dei film sottili: un nuovo metodo è stato implementato per calcolare i contenuti atomici di H, O e C da misure ottiche. In tal modo è stato possibile osservare come una bassa incorporazione (< 10%) di ossigeno e carbonio sia sufficiente ad aumentare la porosità ed il grado di disordine a lungo raggio del materiale: relativamente a quest’ultimo aspetto, è stata sviluppata una nuova tecnica per determinare dagli spettri ellisometrici l’energia di Urbach, che esprime la coda esponenziale interna al gap in semiconduttori amorfi e fornisce una stima degli stati elettronici in presenza di disordine reticolare. Nella seconda parte della tesi sono stati sviluppati esperimenti di annealing isocrono, in modo da studiare i processi di cristallizzazione e di effusione dell’idrogeno, correlandoli con la degradazione delle proprietà optoelettroniche. L’analisi dei differenti risultati ottenuti studiando queste particolari leghe (a-SiOx e a-SiCy) ha permesso di concludere che solo con una bassa percentuale di ossigeno o carbonio, i.e. < 3.5 %, è possibile migliorare la risposta termica dello specifico layer, ritardando i fenomeni di degradazione di circa 50°C.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Fotovoltaico di terza generazione: celle tandem

Questa tesi ha come argomento lo studio dei dispositivi fotovoltaici, sistemi che trasformano la radiazione solare in energia elettrica. In particolare è stata approfondita l'analisi di una specifica categoria di celle solari, le tandem cells, dispositivi a giunzione multipla in cui la radiazione solare attraversa due o più giunzioni singole caratterizzate da gap energetici differenti, al fine di massimizzarne l'assorbimento. In primo luogo sono state analizzate le caratteristiche della radiazione solare, assimilabile a quella di un Corpo Nero. Successivamente, dopo una presentazione introduttiva dei parametri principali dei dispositivi fotovoltaici, sono state studiate in dettaglio le celle a giunzione singola, sia da un punto di vista elettrico che termodinamico. Infine è stato esposto il funzionamento delle celle tandem, dando particolare risalto alla risposta elettrica e ai limiti di efficienza di questi dispositivi.

Studio di celle fotovoltaiche di terza generazione: celle tandem

Il fotovoltaico (FV) costituisce il modo più diretto di conversione dell’energia solare in energia elettrica e si basa sull’effetto osservato da Becquerel nel 1839. Si può affermare che tale effetto è rimasto una curiosità di laboratorio dalla metà del XIX secolo fino al 1954, quando la prima cella solare in silicio con un’efficienza di conversione del 6% fu costruita ai Laboratori Bell. Da allora la ricerca in questo settore ha sperimentato una crescita costante ed oggi si può contare su tecnologie mature, in grado di sviluppare alte prestazioni in via di ulteriore miglioramento. Le celle tandem costituiscono ora il migliore esempio di dispositivi fotovoltaici in grado di convertire buona parte della potenza irraggiata dal sole. Aumentare l’efficienza con le celle tandem significa sfruttare le differenti lunghezze d’onda dello spettro solare. Questi dispositivi sono infatti costruiti impilando semiconduttori, disponendoli dal basso in modo crescente secondo i loro valori di energia di gap. A partire dall’analisi delle caratteristiche principali della radiazione solare e del principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche, questo lavoro si propone di mettere in evidenza le potenzialità della tecnologia a multigiunzione, che ha già dimostrato rilevanti capacità di ottimizzazione delle prestazioni delle celle solari, facendo ben sperare per il futuro.