Design og high-efficiency crystalline silicon solar cells based on numerical simulation

Abstract

L’utilizzo di strumenti di simulazione è diventato un approccio chiave nel processo di progettazione di celle solari ad alta efficienza. In questo lavoro di tesi, strutture e tecnologie relative a celle solari avanzate in silicio cristallino sono state discusse e analizzate per mezzo di simulazioni numeriche. In particolare, i parametri critici sono stati evidenziati fornendo linee guida per ottenere la massima efficienza in relazione ai vincoli tecnologici. Nel Capitolo 1 è stata presentata l’evoluzione delle celle in c-Si effettuata con l’obiettivo di avvicinarsi il più possibile agli effettivi limiti di efficienza.. Nel Capitolo 2, è stato descritto lo stato dell’arte generale relativo alle celle in silicio cristallino, focalizzandosi sulla loro implementazione in simulazioni numeriche. Di seguito, nel Capitolo 3, è stato presentato uno studio teorico dell’impatto dei parametri di progettazione sulle principali figure di merito di celle solari IBC in c-Si, basato su simulazioni elettro-ottiche. Lo studio è stato condotto analizzando i principali parametri e identificando i meccanismi dominanti che migliorano o degradano l’efficienza di conversione. In particolare, è stato dimostrato che le concentrazioni di drogaggio e le geometrie della faccia inferiore ottimali sono il risultato di compromessi tra meccanismi di ricombinazione intrinseci ed estrinseci, nel caso dei drogaggi, e tra maccanismi di trasporto e ricombinazione, nel caso delle geometrie posteriori. Successivamente, l’approccio presentato nel Capitolo 2 è stato ampliato nel Capitolo 4, in cui è stato illustrato un innovativo modello di simulazione per IBC. La simulazione elettro-ottica è stata validata e impiegata per lo studio della regione frontale della cella back-contact. La nuova metodologia di simulazione modella in dettaglio il comportamento ottico e i meccanismi di passivazione sulla texturizzazione frontale. I risultati ottenuti hanno mostrato che un’interfaccia frontale texturizzata con piramidi irregolari e un FSF ottimale sono necessari per minimizzare sia le perdite ottiche che per ricombinazione. Analogamente, è stato evidenziato che le perdite per ricombinazione sono influenzate in misura maggiore dal profilo di drogaggio che dalla rugosità delle superficie. In relazione all’ottimizzazione del regione inferiore è stato ottenuto un miglioramento del 1% nell’efficienza assoluta e, in conseguenza di questo, migliorando sia la qualità dell’emettitore che della base in silicio cristallino, è stata presentata una cella solare con efficienza del 22.84%. Nel Capitolo 5, il modello di simulazione è stato usato per analizzare parametri critici di progettazione nell’applicazione di contatti passivanti in un cella solare convenzionale. I risultati delle simulazioni hanno dimostrato che i parametri principali che limitano il meccanismo di trasporto sono l’energia di barriera, le masse di tunneling di elettroni e lacune e lo spessore dell’ossido. Inoltre, è stato riscontrato che il comportamento del potenziale di built-in è correlato all’allineamento delle bande. Questo effetto fornisce la comprensione di come il silicio cristallino con drogaggio internamente diffuso supporta il trasporto per mezzo di tunneling attraverso lo strato di ossido. In accordo con le analisi svolte, sono state fornite delle indicazioni per la progettazione di contatti passivanti. In conclusione, in questo lavoro di tesi sono state fornite linee guide per il design di celle solari IBC e celle solari convenzionali con contatti passivanti, con lo scopo di favorire processi di fabbricazione di celle solari in silicio cristallino ad alta efficienza.