Fabrication and characterization of planar heavily doped semiconductor heterojunctions

Over the past few years, renewable energy sources have assumed an increasingly important role in the global energy panorama. This is mainly due to the necessity to limit the gas emissions responsible of the global warming. Among them, photovoltaics is the most versatile technology due to its variable dimensions and the widespread availability of sunlight. In fact, over time, many researches in this field have led to significant improvements as well as the creation of devices that exploit different materials and operating mechanisms. They can be divided into three generations: the first is represented by poly- or mono-crystalline silicon-based cells which are the most widespread today even if they have limitations in efficiency and production costs. The second generation, also called "thin films generation", is composed of multi-junction, organic and perovskites solar cells. The first type is the one that, to date, has reached the highest efficiency even if formed by elements little present on the earth's crust and consequently expensive. The second is the least expensive, has the advantage of flexibility but is still not very efficient today. The third category is of great interest to the scientific community as it has excellent characteristics and potential, but still presents problems related to instability and durability. The third and last generation is still mostly in the experimental phase and is based on various mechanisms to avoid efficiency losses such as multiple excitons generation, intermediate-band, up conversion and down conversion as well as that of hot-electron. The performances of the hot-electron solar cells can be enhanced with the use of plasmons that will be the main focus of this work. The aim of this thesis work is to investigate the possibility of using highly doped semiconductors for the creation of a device based on plasmonic hot-electron solar cell technology, which absorbs in the usually neglected frequencies of the near infrared (NIR). It was conceived as a possible integration for a tandem cell that can absorb also photons in the range of near infrared frequencies which form more than 40% of solar energy at sea level. This type of photovoltaic cell can be created with non-toxic and low-cost materials. Moreover, the production processes are inexpensive, easily applicable to industrial production and do not generate toxic waste. Being still in the initial phase of the project, only the planar structure of this device will be investigated in this work even if possible alternatives will be highlighted. Finally, some considerations on the results and future perspectives will be mentioned.

Nel corso degli ultimi anni le fonti di energia rinnovabili hanno assunto un ruolo di sempre maggiore importanza nel panorama energetico globale. Questo è dovuto principalmente alla necessità di limitare le emissioni di gas responsabili dell’effetto serra. Tra di esse il fotovoltaico è la tecnologia più versatile a causa delle sue dimensioni variabili e della diffusa disponibilità di luce solare. Infatti, nel tempo le molte ricerche in questo campo hanno portato a notevoli miglioramenti oltre che alla creazione di dispositivi che sfruttano diversi materiali e meccanismi di funzionamento. Essi si possono suddividere in tre generazioni: la prima è rappresentata dalle celle a base di silicio poli- o mono-cristallino che sono ad oggi le più diffuse anche se presentano limitazioni nell’efficienza e nei costi di produzione. La seconda generazione, anche detta dei “film sottili”, è composta da celle a multigiunzione, organiche e basate su perovskiti. La prima tipologia è quella che, ad oggi, ha raggiunto l’efficienza più alta anche se formata da elementi poco presenti sulla crosta terrestre e di conseguenza costosi. La seconda è la meno costosa, presenta il vantaggio della flessibilità ma ad oggi risulta ancora poco efficiente. La terza categoria è di largo interesse per la comunità scientifica in quanto presenta ottime caratteristiche e potenzialità, ma presenta ancora problemi legati ad instabilità e durata. La terza ed ultima generazione è ancora per lo più in fase sperimentale ed è basata su diversi meccanismi per evitare perdite di efficienza come multiple excitons generation, intermediate-band, up conversion e down conversion oltre che quello di hot-electron. Le prestazioni di una hot-electron solar cell possono essere migliorate grazie all’utilizzo di plasmoni che verranno successivamente approfonditi. Lo scopo di questo lavoro di tesi è di investigare la possibilità di utilizzare semiconduttori altamente drogati per la creazione di un dispositivo basato sulla tecnologia della plasmonic hot-electron solar cell, che assorba nelle frequenze solitamente trascurate del vicino infrarosso (NIR). Esso è stato pensato come possibile integrazione per una cella tandem che possa assorbire fotoni anche nell’intervallo di frequenze del vicino infrarosso che formano più del 40% dell’energia solare al livello del mare. Questo tipo di cella fotovoltaica può essere creata con materiali non tossici e di basso costo. Oltretutto i processi di produzione risultano essere poco costosi, facilmente applicabili alla produzione industriale e non generano rifiuti tossici. Essendo ancora nella fase iniziale del progetto, in questo lavoro verrà indagata solo la struttura planare di questo dispositivo anche se verranno messe in luce possibili alternative. Infine, alcune considerazioni sui risultati e le prospettive future verranno menzionate.