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Gli scienziati fabbricano nuovi componenti elettrici per migliorare la stabilità delle celle solari

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Astratto grafico. Credito: Nanomateriali applicati ACS (2022). DOI: 10.1021/acsanm.1c03355

In futuro, le società decarbonizzate che utilizzano dispositivi Internet of Things (IoT) diventeranno comuni. Ma per raggiungere questo obiettivo, dobbiamo prima realizzare fonti di energia rinnovabile altamente efficienti e stabili. Le celle solari sono considerate un’opzione promettente, ma i loro contatti elettrici soffrono di una relazione di “compromesso” tra passivazione superficiale e conduttività. Di recente, ricercatori giapponesi hanno sviluppato un nuovo tipo di contatto elettrico in grado di superare questo problema.

Il tipo più recente di cella fotovoltaica commerciale (cella solare) utilizza strati sovrapposti di silicio cristallino (c-Si) e uno strato ultrasottile di ossido di silicio (SiOX) per formare un contatto elettrico. Il SiOX viene utilizzato come pellicola “passivante”, uno strato non reattivo che migliora le prestazioni, l’affidabilità e la stabilità del dispositivo. Ma ciò non significa che il semplice aumento dello spessore di questo strato passivante porterà a un miglioramento delle celle solari. SiOX è un isolante elettrico ed esiste una relazione di compromesso tra la passivazione e la conduttività del contatto elettrico nelle celle solari.

In un nuovo studio, pubblicato in Nanomateriali applicati ACSun gruppo di ricerca guidato dall’assistente del professor Kazuhiro Gotoh e dal professor Noritaka Usami dell’Università di Nagoya ha sviluppato un romanzo SiOX strato che consente contemporaneamente un’elevata passivazione e una migliore conduttività. Denominato NAnocrystalling Transport path in Ultrathin dielectrics for REinforcing passivating contact (NATURE contact), il nuovo contatto elettrico è costituito da strutture a tre strati costituite da uno strato di nanoparticelle di silicio racchiuse tra due strati di SiO ricco di ossigenoX. “Puoi pensare a un film passivante come a un grande muro con dei cancelli. Nel contatto NATURA, il grande muro è il SiOX strato e le porte sono nanocristalli di Si”, spiega il Dr. Gotoh.

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La conducibilità del contatto elettrico nelle celle solari dipende dalla formazione di una “via portante” per il trasporto di cariche elettroniche. La formazione di questo percorso elettrico dipende da un trattamento ad alta temperatura chiamato “ricottura”.

Ricerche precedenti hanno dimostrato che SiOX i contatti che contengono nanoparticelle di silicio come via portante possono ottenere buone proprietà elettriche. Nel contatto NATURA, il processo di ricottura porta alla formazione di nanocristalli di silicio molto piccoli nello strato di passivazione che hanno una forma quasi sferica. Il diametro di questi nanocristalli corrisponde allo spessore dello strato di passivazione. Pertanto, controllando le condizioni di ricottura, è possibile regolare il diametro e il successivo spessore dello strato di passivazione.

Il team di ricerca ha fabbricato i contatti NATURE e poi li ha sottoposti a condizioni di ricottura variabili. Dopo aver studiato i contatti con la microscopia elettronica a trasmissione, hanno scoperto che i nanocristalli di silicio si sono formati nel contatto a una temperatura di ricottura di 750 °C. Hanno anche studiato le proprietà elettriche del contatto. Hanno visto che rispetto ai contatti esistenti come il contatto passivante con ossido di tunnel (TOPCon) o i contatti di polisilicio sull’ossido (POLO), la NATURA aveva valori comparabili di resistenza di contatto e “corrente di ricombinazione”, un fenomeno che provoca corrente e perdite di tensione nelle celle solari e diminuisce la loro efficienza.

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“Il contatto NATURA supera il rapporto di compromesso tra la capacità protettiva e la conduttività dei film passivanti. Questo sviluppo porterà alla realizzazione del futuro fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) e del fotovoltaico integrato nel veicolo (VIPV) e ci aiuterà a raggiungere lo zero- edifici energetici e auto solari nelle future società decarbonizzate”, conclude il dott. Gotoh.


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