L'efficienza delle celle solari può essere aumentata dai contatti a film sottile sviluppati dai ricercatori della KAUST.

Migliorare le prestazioni delle celle solari richiede l'esame accurato di ogni aspetto del loro design. Primo, ciò significa migliorare la qualità cristallina del materiale assorbente per massimizzare la conversione dei fotoni in elettroni con carica negativa e lacune con carica positiva. Prossimo, l'architettura del dispositivo deve essere ottimizzata per garantire che questi portatori di carica possano muoversi in modo efficiente attraverso il materiale. Finalmente, sono da perfezionare i contatti elettrici che estraggono i portanti dal dispositivo e in un circuito esterno.

Xinbo Yang e i suoi colleghi del KAUST Solar Center e del KAUST Core Lab, insieme ai colleghi dell'Australian National University, concentrarsi su questa terza fase sviluppando contatti a film sottile di nitruro di tantalio selettivi per gli elettroni per celle solari al silicio.

L'interfaccia tra un contatto in silicio e un metallo può creare una barriera ad alta resistenza che interrompe il flusso di corrente. Inoltre, gli stati elettronici indotti dal metallo sulla superficie del silicio consentono al portatore di carica di ricombinarsi, che riduce l'efficienza di conversione. Tradizionalmente, processi ad alto costo, come la diffusione e la deposizione chimico-vapore di strati aggiuntivi sono stati adottati per ridurre la resistenza di contatto e la ricombinazione del vettore.

Yang e il team combattono questi problemi posizionando nitruro di tantalio sul silicio usando un metodo noto come deposizione di strato atomico:lo fanno esponendo la superficie a un gas, provocando la formazione di un film sottile di alta qualità un atomo alla volta.

"I contatti di nitruro di tantalio selettivi per gli elettroni possono ridurre contemporaneamente la ricombinazione del portatore di carica e la resistenza di contatto, " spiega Yang. "Questo può semplificare la complessità della fabbricazione del dispositivo e ridurre i costi di produzione".

Studiando sperimentalmente le proprietà elettriche dell'interfaccia nitruro di tantalio-silicio, i ricercatori hanno dimostrato che l'interstrato di nitruro di tantalio era in grado di ridurre la resistenza di contatto al flusso di elettroni dal silicio e dai contatti metallici in argento o alluminio. Ma, contemporaneamente bloccava il flusso dei fori, riducendo la ricombinazione del portatore.

Il team ha creato una cella solare al silicio che utilizzava un contatto elettronico selettivo tantalio-nitruro-metallo. Hanno dimostrato che questo ha migliorato l'efficienza di conversione della potenza, il rapporto tra energia elettrica in uscita e potenza ottica in ingresso, di oltre il 20% rispetto a un dispositivo di controllo costruito senza nitruro di tantalio. Hanno anche scoperto che ha semplificato la sequenza di fabbricazione del dispositivo, e costo, eliminando i processi di doping e di apertura dei contatti.

"Stiamo anche studiando la potenziale applicazione di strati di trasporto di elettroni di nitruro di tantalio per celle solari organiche e perovskite, " spiega lo scienziato e ricercatore principale KAUST, Stefano De Wolf.