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Strutture minuscole promettono grandi efficienze

Ricercatori finanziati dall’UE che lavorano sul miglioramento dell’efficienza delle celle fotovoltaiche volevano convertire quante più lunghezze d’onda possibile della luce solare; altrimenti soltanto una piccolissima parte dell’energia in arrivo può essere utilizzata.
Strutture minuscole promettono grandi efficienze
Il silicio (Si), l’attuale standard dell’industria fotovoltaica, è limitato per quanto riguarda la gamma di lunghezze d’onda che è in grado di “vedere” e assorbire. Tuttavia, quando il Si stirato viene irradiato con ioni di luce, si formano minuscole strutture vuote. Questi nanopunti e nanolacune presentano proprietà elettroniche e ottiche che non sono state finora studiate nelle applicazioni fotovoltaiche.

I ricercatori hanno avviato il progetto NOVOSIP (Nano-voids in strained silicon for plasmonics) per esaminare l’uso di nanopunti e nanolacune al fine di migliorare l’efficienza del fotovoltaico con silicio monocristallino. Per questo scopo, essi hanno creato queste strutture plasmoniche in una configurazione unica del dispositivo fotovoltaico composta da strati Si-stagno (Sn) e strati Si messi assieme.

Nanopunti e nanolacune sono stati collocati nello strato emettitore altamente drogato vicino alla giunzione p-n al fine di estendere gli effetti di campo vicino. Ci si aspettava che questi effetti contribuissero alla moltiplicazione dei vettori e aumentassero la diffusione della luce, entrambi fattori promettenti per migliorare l’assorbimento della luce solare. I ricercatori hanno quindi usato differenti metodi per studiare le proprietà strutturali, ottiche ed elettroniche di ogni strato.

Mediante un’irradiazione di ioni ad alte temperature della struttura Si/SiSn/Si, il team NOVOSIP ha ottenuto delle nanolacune sferiche in precipitati stirati di stagno (Sn) su scala nanometrica. Con l’impiantazione ionica del carbonio e il successivo trattamento termico, essi hanno osservato la formazione di nanofiocchi di carbonio. La struttura cristallina dei fiocchi consentiva l’assorbimento di tutte le lunghezze d’onda della luce, potenzialmente aumentando il tasso di conversione energetica.

Inoltre è stato proposto e dimostrato un innovativo concetto per l’auto assemblaggio di nanoshell metalliche nella struttura stirata Si/SiSn/Si. I risultati delle indagini teoriche e delle simulazioni numeriche che riproducono differenti effetti della risonanza plasmonica hanno aiutato i ricercatori a distinguere il loro contributo alle osservazioni sperimentali.

Il lavoro di NOVOSIP, sebbene sia in una fase iniziale, rappresenta una promettente strada in avanti per la ricerca sulle celle solari con silicio monocristallino. Le minuscole strutture plasmoniche progettate in strati multipli di Si stirato rendono possibile una migliore raccolta della luce a basso costo. Inoltre, già si prevedono possibili applicazioni in dispositivi a emissione di luce e per il rilevamento del gas.

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Keywords

Celle fotovoltaiche, silicio, nanopunti, nanolacune, NOVOSIP, plasmonica, conversione energia