Film sottili di In2O3 drogati con metalli di transizione come TCO per applicazioni nel fotovoltaico

Gli elettrodi trasparenti svolgono un ruolo cruciale in molte applicazioni tecnologiche, dalle celle solari ai dispositivi touch screen, dispositivi con tecnologia OLED e smart windows. Per gli elettrodi trasparenti, la necessità di avere buone proprietà elettriche ed ottiche, spinge la ricerca verso lo studio di nuovi materiali trasparenti e conduttivi in alternativa ai più ampiamente utilizzati transparent conductive oxides (TCOs). Sebbene questi raggiungano elevate performances in termini di trasparenza e conduttività, risultano ancora costosi e tossici, come quelli basati sull’ossido di indio, di cui l’ossido di indio drogato con stagno (ITO) costituisce l’esempio più rinomato. Ridurre i costi di produzione e implementare gli elettrodi trasparenti con materiali green non sono le uniche sfide in questo campo di ricerca. Lo sviluppo di nuove e sempre più avanzate tecnologie, inclusi dispositivi flessibili e celle solari a multi-giunzione, ha allargato la ricerca a materiali alternativi con proprietà opto-elettriche più performanti, che possono ad esempio essere sintetizzati a basse temperature e integrati in questi nuovi dispositivi avanzati. In questo lavoro, vengono presentati due TCO con strutture cristallografiche basate sull’ossido di indio, dove metalli di transizione vengono introdotti come donori nelle matrici di ITO e ossido di indio. I materiali, sono stati cresciuti tramite tecnica di sputtering, utilizzando sia sorgenti in DC che in RF. Deposizioni di ITO drogato con Mo (ITMO) e ossido di Indio drogato con Zirconio (IZrO) sono state condotte a temperatura ambiente per assicurarne la compatibilità con processi di sintesi a bassa temperatura. Inoltre, film ultra-sottoli con spessori di 15-20 nm sono stati depositati, per testare le proprietà elettriche e ottiche di TCO con spessore ridotto. La tesi si presenta strutturata in maniera seguente: Il capitolo I introdurrà il problema energetico legato al riscaldamento globale e il conseguente bisogno di ridurre le emissioni di CO2, come predetto dall’ The International Energy Agency (IEA) nel settembre del 2020 nel World Energy Outlook, quando vennero stabilite le normative per il raggiungimento del Net Zero Emissions Scenario entro il 2050. Le energie rinnovabili verranno presentate come risorse energetiche cruciali per la transizione energetica con particolare attenzione all’energia solare e allo sviluppo di applicazioni fotovoltaiche. Nel capitolo verrà presentata una overview delle differenti celle solari basate sul Silicio con una descrizione di tutte le relative componenti costituenti l’architettura. Tra tutte le componenti, particolare attenzione verrà dedicata alla descrizione degli Elettrodi Trasparenti e delle loro caratteristiche. Verranno inoltre, elencati e brevemente descritti gli elettrodi trasparenti più comunemente utilizzati. Il capitolo II si focalizzerà su una delle tante famiglie di Elettrodi Trasparenti esistenti, ovvero la famiglia dei TCO. Nel capitolo verranno descritte sia la struttura a bande che il meccanismo di drogaggio di questi materiali, e ne verranno date informazioni sulle proprietà elettriche ed ottiche. I TCO con strutture cristallografiche basate sull’ossido di indio verranno introdotti come punto di partenza per la descrizione dell’ossido di indio drogato con metalli di transizione, un materiale dalle caratteristiche promettenti per lo sostituzione dell’ITO. Il capitolo III descriverà la parte teorica di tutte le tecniche sperimentali utilizzate per la deposizione e la caratterizzazione dei film sottili. Verranno descritte la tecnica di deposizione utilizzata, basata sul magnetron sputtering (RF e DC) e una serie di tecniche di caratterizzazione come Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), X-Ray Diffraction (XRD), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) Atomic Force Microscopy (AFM), Frequency Modulated Kelvin Probe Force Microscopy (FM-KPFM) e Scanning Electron Microscopy (SEM). Le proprietà elettriche verranno descritte introducendo il concetto di Sheet resistance e determinate con misure Hall. Le proprietà ottiche, con gli spettri di trasmittanza e riflettanza nel range UV-VIS-NIR, verranno descritte come acquisite per mezzo dello spettrofotometro. L’ultima parte del capitolo si focalizzerà sui materiali e sui metodi sperimentali utilizzati per la caratterizzazione del dispositivo realizzato per questo lavoro di tesi, per testare la qualità degli elettrodi. Misure di external quantum efficiency (EQE) verranno descritte per dare l’efficienza di celle solari a eterogiunzione basate sul Si (fornite da Enel 3Sun) sulle quali sono stati depositati elettrodi trasparenti presentati in questo lavoro di tesi. Il capitolo IV riporterà la sintesi e la caratterizzazione di film sottili di ITO drogato con Mo (ITMO), dove il Mo (metallo di transizione) è stato introdotto come donore nella matrice di ITO, insieme al già presente stagno, donore di tipo n. Questa parte del lavoro rappresenta uno studio preliminare per migliorare le proprietà elettro-ottiche dell’ITO, con il co-doping del Mo. Il capitolo V presenterà il secondo materiale proposto alternativamente all’ITO, realizzato utilizzando lo Zirconio, come metallo di transizione per drogare l’ossido di indio. Film sottili di ossido di indio drogato con zirconio (IZrO) sono stati depositati variando diversi parametri tra cui la concentrazione di zirconio e lo spessore dei film. I parametri sono stati ottimizzati per il raggiungimento delle migliori proprietà elettriche ed ottiche in termini di resistività e trasparenza. Gli elettrodi di IZrO sono stati depositati come front and back contact su celle solari semi-finite fornite da Enel 3Sun per la caratterizzazione del dispositivo, la cui efficienza è stata determinata tramite misure di EQE.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2022

Author dc:creator

• MICALI, Melanie

Contributors dc:contributor

• COMPAGNINI, Giuseppe Romano

• Transparent Conductive Oxide, Solar Cells, Photovoltaic, Thin films
• Ossidi Trasparenti e Conduttivi, Celle solari, Fotovoltaico , Film sottili

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/581592

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/581592