Design and Optimization of Advanced Layers for Enhanced Performance in Silicon-Based Solar Cells [Progettazione e Ottimizzazione di Layer Innovativi per Migliorare le Prestazioni delle Celle Solari a Base di Silicio]

La crescente domanda globale di energia, insieme all'urgenza di mitigare il cambiamento climatico, sottolinea l'importanza di adottare le energie rinnovabili come alternativa sostenibile ai combustibili fossili. Tra queste, l'energia solare, in particolare grazie ai progressi nell'industria fotovoltaica (PV), ha registrato sviluppi significativi negli ultimi anni, offrendo una soluzione promettente alle sfide poste dal riscaldamento globale. Tuttavia, rimangono importanti ostacoli, soprattutto nel miglioramento dell'efficienza dei pannelli solari e nella riduzione dei costi di produzione. Le caratteristiche fondamentali dei dispositivi fotovoltaici, come il tempo di vita dei portatori di carica, l'efficienza di conversione energetica e l'impiego di materiali abbondanti in natura, vengono continuamente ottimizzate, parallelamente agli sforzi per ridurre i costi di produzione e installazione. Una sfida cruciale consiste nello sviluppo di ossidi trasparenti conduttivi (TCO) efficienti ed economicamente vantaggiosi, che non dipendano dalla presenza di indio, un materiale raro e costoso. La ricerca si concentra sempre più sull'identificazione di materiali e droganti alternativi che possano sostituire l'indio senza compromettere le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. Questa tesi presenta la ricerca sperimentale condotta durante il mio dottorato in Scienza dei Materiali e Nanotecnologie, avente l'obiettivo di contribuire al miglioramento della tecnologia fotovoltaica attraverso approcci innovativi. Lo studio abbraccia diverse aree chiave, tra cui ampia attenzione è stata data all'esplorazione di materiali nuovi che possono essere integrati nella struttura delle celle solari, al fine di migliorarne le prestazioni garantendo al contempo la sostenibilità. La sezione iniziale offre una panoramica della storia e dell'evoluzione della tecnologia delle celle solari a base di silicio, evidenziandone il ruolo fondamentale nei sistemi fotovoltaici terrestri. La tesi esplora inoltre i design futuri delle celle, con un focus sulle possibilità di ottimizzazione dei materiali e delle tecnologie attuali. Uno degli obiettivi principali di questo lavoro è ridurre la dipendenza dall'indio negli elettrodi trasparenti delle celle solari. A questo scopo sono state esplorate diverse strategie. In primo luogo, è stato studiato il potenziale del drogaggio intrinseco negli ossidi metallici per sviluppare elettrodi trasparenti a partire da materiali binari, eliminando la necessità di aggiungere droganti metallici. Questo approccio potrebbe portare a soluzioni più sostenibili riguardo gli elettrodi utilizzati nei futuri dispositivi fotovoltaici. In secondo luogo, è stato esaminato lo zirconio come drogante alternativo per l'ossido di indio. L'ossido di indio drogato con zirconio (IZrO) ha mostrato eccellenti proprietà di conducibilità e prestazioni, anche a spessori ultra-sottili, consentendo una riduzione significativa dell'uso di indio fino al 75%. Sebbene l'IZrO sia un materiale promettente, ulteriori studi sono necessari per ottimizzarne completamente le proprietà ottiche ed elettriche per l'effettiva integrazione nelle diverse architetture di celle solari. È stato inoltre esaminato l'ossido di zinco drogato con boro (BZO) come possibile alternativa priva di indio per gli ossidi trasparenti conduttivi. Sebbene i film di BZO abbiano dimostrato una promettente trasparenza ottica, le loro proprietà elettriche sono risultate insufficienti per l'applicazione come TCO. Tuttavia, è stato proposto e testato un nuovo design che incorpora un sottile strato di BZO come strato trasportatore degli elettroni nella cella solare a perovskite. Questa modifica ha prodotto risultati incoraggianti, suggerendo che questo design possa avere un potenziale significativo per ulteriori sviluppi. Infine, la ricerca si è concentrata sull'ottimizzazione delle tecniche di taglio laser per le tecnologie a celle dimezzate, indagando un metodo semplice ma efficace per aumentare la potenza dei moduli fotovoltaici senza alterare l'architettura delle celle. Ottimizzando i parametri di taglio laser e analizzando il loro impatto sui danni alle celle solari, è stato possibile minimizzare le perdite di efficienza nelle celle bifacciali a eterogiunzione di silicio (SHJ). Sono state confrontate le prestazioni dei design a celle intere e dimezzate, identificando i fattori chiave che contribuiscono alla riduzione dell'efficienza e aprendo la strada a strategie di design migliorate. In conclusione, questa tesi apporta un contributo nello sviluppo di tecnologie fotovoltaiche efficienti, sostenibili ed economicamente vantaggiose, fornendo preziosi spunti riguardo materiali alternativi e processi innovativi che possono supportare la crescita del settore verso livelli di produzione su scala terawatt nei prossimi anni.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• TRINGALI, FIORELLA

Contributors dc:contributor

• TERRASI, Antonio
• COMPAGNINI, Giuseppe Romano

• Solar Cell
• Sputtering Deposition
• Thin Film
• Transparent Conductive Oxide
• Celle Solari
• Deposizione per Sputtering
• Ossidi Trasparenti Conduttivi
• Film Sottili

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:NON PUBBLICO - Accesso privato/ristretto
• license uri:iris.PRI01

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/685433

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/685433