Design of interdigitated back-contact solar cells by means of TCAD numerical simulations

Abstract

La promessa dell’energia solare come forma di energia principale è sempre più concreta, ma il nodo cruciale rimane il costo per Watt, che deve essere sempre di più avvicinato o finanche ulteriormente ridotto rispetto a quello delle reti di distribuzione energetiche esistenti. Un lavoro di ottimizzazione in termini di design e parametri di fabbricazione è quindi fondamentale per raggiungere questo obiettivo. Il silicio cristallino è il materiale maggiormente diffuso nell’industria fotovoltaica, per via di diversi fattori, tra cui l’ottimo rapporto costo/prestazioni e la vasta presenza di macchinari per la sua lavorazione, dovute al suo impiego pluridecennale nell’industria microelettronica. Fra le diverse tipologie di celle esistenti è stata scelta un’architettura che presenta entrambi i contatti metallici sul retro, chiamata per questo interdigitated back-contact (iBC). Questo particolare design offre numerosi vantaggi in termini di efficienza massima, costo di produzione ed estetica del pannello, in relazione alle celle convenzionali. Difatti, al momento attuale le maggiori efficienze in celle monogiunzione, sia a livello di laboratorio che di moduli commerciali, sono state ottenute utilizzando questa struttura, sulla quale un’approfondita attività di ricerca può quindi dimostrarsi di notevole interesse. Per il processo di analisi è stato scelto un approccio numerico, tramite l’uso del simulatore di dispositivi TCAD Sentaurus di Synopsys. L’utilizzo di simulazioni offre numerosi punti a favore rispetto all’ottimizzazione per mezzo di step ripetuti di fabbricazione. In primis, un vantaggio in termini di costi, non necessitando di macchinari, materiali e camere pulite. Inoltre un’analisi numerica rende possibile individuare ed evidenziare punti o cause specifiche di perdite o problemi di progettazione. La problematica maggiore di questo approccio risiede nella necessità di garantire l’affidabilità delle simulazioni e ciò è stato ottenuto mediante l’applicazione dello stato dell’arte di tutti i modelli fisici specifici coinvolti nel funzionamento di questo tipo di celle. La tematica di ricerca affrontata è stata quindi la progettazione di celle solari al silicio con contatti interdigitati sul retro tramite l’uso di simulazioni numeriche. Il lavoro di ottimizzazione è stato realizzato investigando uno spazio di parametri di fabbricazione molto vasto e ottenendo informazioni sui trend delle prestazioni al variare degli stessi. Nel primo capitolo è stata illustrata la fisica e i principi di funzionamento di una cella solare, iniziando dall’assorbimento della luce, passando alla sua conversione in cariche elettriche, per finire con la loro raccolta per generare potenza. I meccanismi di ricombinazione e le altre cause di perdite sono stati presentati ed esaminati. Nel secondo capitolo è stata dettagliata l’architettura di una cella solare, evidenziando le diverse regioni e presentando la struttura back-contact. Il terzo capitolo è stato dedicato alla spiegazione delle strategie di simulazione applicate in questo lavoro, con la definizione dei modelli fisici applicati e calibrati per assicurare l’accuratezza richiesta. Nei capitoli quattro e cinque sono stati presentati i risultati delle simulazioni effettuate, realizzate variando le caratteristiche geometriche delle diverse regioni della cella e i profili di drogaggio. Sono stati ottenuti i trend di comportamento relativi ai singoli parametri che, nel caso relativo ai drogaggi, permettono di affermare che per ogni regione l’andamento dell’efficienza ha una forma a campana, che presenta un ottimo di drogaggio relativo in un punto intermedio. Questo comportamento è dovuto, per bassi valori di drogaggio, all’effetto della ricombinazione sul contatto per BSF ed emettitore e della ricombinazione superficiale per l’FSF. Per alti valori di drogaggio, la degradazione dell’efficienza dipende dall’effetto della ricombinazione Auger per BSF ed emettitore e da quella superficiale per l’FSF. Per quanto riguarda i parametri geometrici, le analisi svolte evidenziano che il gap tra emettitore e BSF deve essere quanto più piccolo possibile, dato che all’aumentare della sua dimensione aumentano le perdite per effetto resistivo e di ricombinazione. È stato determinato che il valore ottimale di emitter coverage non è assoluto, ma dipende dalla resistività del bulk e dai drogaggi delle altre regioni, os cillando tra l’80% e il 90%. Per quanto riguarda il pitch ottimale, cioè la distanza tra i contatti, è stato determinato che maggiori efficenze corrispondono a valori minori, principalmente perché all’aumentare della distanza aumentano le resistenze parassite. Infine si è evidenziato che l’aggiunta di un secondo contatto sull’emettitore, equispaziato dal centro della regione, migliora l’efficienza totale poiché riduce le perdite resistive, soprattutto nel caso di celle con emettitori lunghi.