Nanopatterning for light trapping in thin film crystalline silicon solar cells

The increasing demand of crystalline silicon based Photovoltaics as a leading technology in the electrical power generation industry has brought research to face several challenges related to the need to go to cost effective technologies that still do not neglect the performances. Because of the costs related to the active material, thin _lm technology has been proposed. Nevertheless, several issues related to optical losses arise when considering low thicknesses for the active material and conventional light trapping methods seems to be not compatible due to the total material consumption. In this work, the idea of a sub wavelength-scale patterning on thin _lm silicon surface, in order to reduce front side reflectance and increase light trapping inside the bulk with low material consumption, will be presented by means of two different technologies: hole-mask colloidal lithography and nano-imprint lithography. Hole-mask colloidal lithography is a technique that utilizes random dispersion of colloidal particles, on silicon surface, to define the pattern. This work will be focused on the absorption enhancement provided by such technology. Nano-imprint lithography consists of transferring a pattern from a prefabricated stamp to the silicon surface by means of a mechanical press. In this work optical result will be presented, together with cell results. The deteriorating effect on carrier lifetime will be analyzed and different solution to that issue will be proposed.

L'aumento progressivo della domanda di moduli fotovoltaici in silicio mono-cristallino, oggi tecnologia di punta nel campo dell'industria per la produzione di energia elettrica, ha posto la ricerca di fronte a importanti sfide in relazione al bisogno di sviluppare tecnologie che garantiscano da un lato costi sostenibili e dall'altro ottime prestazioni. Per ragioni legate al costo del materiale attivo, è stato intrapreso lo sviluppo della tecnologia a film sottile. Ciononostante, nel momento in cui si considerano spessori minimi per il materiale attivo, vengono riscontrati parecchi inconvenienti riguardanti le perdite ottiche e sembra che i metodi convenzionali di intrappolamento della luce non siano compatibili a causa del consumo eccessivo del materiale. Il progetto in questione intende investigare un modello della superficie del film sottile su silicio su scala di dimensioni inferiori alle lunghezze d'onda del visibile, al fine di ridurre la riflettanza all'interfaccia e aumentare l'efficienza di cattura della luce nel substrato con relativo basso consumo del materiale. Questa idea di modello sarà presentata per mezzo di due differenti tecnologie: hole-mask colloidal lithography e nano-imprint lithography. Hole-mask colloidal lithography è una tecnica litografica che consiste nella dispersione casuale di particelle colloidali in soluzione sulla superficie del silicio, la deposizione di un film sottile di una maschera di allumino, rimozione delle particelle colloidali e la rimozione di materiale attivo attraverso le forature sulla maschera mediante il reactive ion etching. Nano-imprint lithography, consiste nel trasferimento di un reticolo di diffrazione da uno stampo prefabbricato sulla superficie del silicio attraverso una deformazione meccanica: la superficie del silicio viene inizialmente coperta con un resist termoplastico, lo stampo viene quindi pressato sul silicio attraverso uno strumento meccanico ed infine il silicio viene rimosso mediante il reactive ion etching.