Il SEM per lo studio della texture delle celle fotovoltaiche

Nel settore delle energie rinnovabili, i sistemi per la produzione di energia solare fotovoltaica (PV) rivestono da molti anni un ruolo di primo piano. In quanto componente centrale della produzione di energia fotovoltaica, le celle PV sono sempre oggetto di sviluppo e ottimizzazione. Il microscopio elettronico a scansione (SEM) svolge un ruolo fondamentale sia nell’ambito R&D che in quello del miglioramento del processo produttivo delle celle fotovoltaiche.

Detto in maniera molto sintetica, una cella PV è un sottile foglio (wafer) di materiale semiconduttore in grado di convertire l’energia solare in energia elettrica. Le celle fotovoltaiche attualmente in commercio e prodotte in serie sono principalmente celle in silicio, che si dividono in celle in silicio monocristallino, celle in silicio policristallino e celle in silicio amorfo.

Nell’attuale processo di produzione delle celle fotovoltaiche, al fine di migliorare ulteriormente l’efficienza di conversione energetica, sulla superficie della cella viene solitamente realizzata una speciale struttura texturizzata. Nello specifico, la texture sulla superficie di queste celle incrementa l’assorbimento della luce grazie all’aumentato numero di riflessioni della luce irradiata sulla superficie del wafer di silicio. Questa particolare texture non solo riduce la riflettività finale della superficie, ma crea anche “trappole di luce” all’interno della cella, aumentando così in modo significativo l’efficienza di conversione della cella stessa, anche a diversi angoli di incidenza (Fig.1). Rispetto ad una superficie piana, infatti, un wafer di silicio con struttura superficiale piramidale ha una maggiore probabilità che la componente riflessa dalla luce incidente agisca nuovamente sulla superficie del wafer anziché riflettersi in aria, consentendo l’assorbimento di più fotoni e fornendo dunque più coppie elettrone-lacuna.

Fig.1 – Percorsi di luce per diversi angoli di incidenza della luce solare che colpisce la struttura piramidale superficiale della cella fotovoltaica.

I metodi comunemente utilizzati per il texturing superficiale includono l’attacco chimico, l’attacco con ioni reattivi, la fotolitografia e la scanalatura meccanica. Tra questi, il metodo dell’attacco chimico è ampiamente utilizzato grazie al suo basso costo, all’elevata produttività e alla sua semplicità. Per le celle fotovoltaiche in silicio monocristallino, viene eseguito un attacco chimico ad opera di una soluzione alcalina (ad es. KOH) che genera strutture simili a piramidi. La formazione della struttura piramidale è causata dalla reazione anisotropa degli alcali (gruppi OH-) con il silicio. Ad una certa concentrazione di soluzione alcalina, la velocità di reazione degli OH- con un piano cristallino Si(100) può essere anche dieci volte superiore a quella con un piano Si(111), ed è questa differenza nella velocità di reazione che porta alla formazione della struttura piramidale.

Nel processo di etching chimico, la concentrazione della soluzione di etching, la temperatura, il tempo di reazione e altri fattori influenzano il risultato della texture, determinando così una diversa riflettività finale della cella fotovoltaica. Utilizzando il microscopio elettronico a scansione è possibile osservare forme e dimensioni della struttura piramidale superficiale. Grazie all’ampia camera di osservazione del SEM3200 di CIQTEK è possibile inserire campioni fino a 370 mm di diametro, e lo stage con cinque assi motorizzati può essere inclinato da -10° a 90°, consentendo l’osservazione del campione da diverse angolature (Figg.2-5). Inoltre, è possibile sfruttare l’elevata risoluzione del SEM3200 alle basse tensioni di accelerazione: utilizzare una tensione di 3-5 kV permette di ridurre la profondità di penetrazione del fascio di elettroni nel campione e mettere maggiormente in evidenza i dettagli della superficie osservata, al fine di caratterizzare al meglio la forma ed eventuali difetti della struttura, aiutando così i ricercatori a confrontare e analizzare i diversi processi di produzione.

Figg.2-3 – Analisi morfologica su cella fotovoltaica texturizzata osservata su campione orizzontale (angolo di tilt 0°). Figg.4-5 – Analisi morfologica su cella fotovoltaica texturizzata osservata inclinando il campione con un angolo di tilt di 45°.

Bibliografia:

– Li Jiayuan. Study of solar cell fleece surface. Dalian University of Technology, 2009.

– Li H-L, Zhao L, Diao H-W, et al. Analysis of the factors affecting the pyramid structure in monocrystalline silicon flux production. Journal of Artificial Crystals, 2010, 39(4):5.

– Nishimoto Y, Namba K. Investigation of Texturization for Crystalline Silicon Solar Cells with Sodium Carbonate Solutions. Solar Energy Material & Solar Cells, 2000, 61(4):393-402.

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