Il costo elevato dei wafer monocristallini di Ge e GaAs è uno dei limiti alla diffusione delle celle fotovoltaiche a multigiunzione (MJ) basate su III-V e alle applicazioni in concentrazione solare (CPV). Una possibile soluzione è l’assottigliamento e/o il riutilizzo dei substrati, che richiedono lo sviluppo di apposite tecniche, ottenendo celle ultrasottili con costi ridotti ed efficienze di conversione maggiori rispetto alle usuali celle CPV non assottigliate. Questo studio si propone di investigare metodi innovativi per il distacco di crescite epitassiali realizzate con Metal-Organic Chemical Vapour Deposition (MOVPE) da substrati di Ge e di GaAs.

Nello studio, per i wafer di GaAs, è stato esplorato il processo Laser Epitaxial Lift-Off (LELO), sfruttando uno strato “sacrificale” di Ge e un laser a infrarossi per danneggiarlo e indebolirlo meccanicamente, lasciando inalterato il GaAs. Sono stati testati due laser, a nanosecondo e femto/pico-secondo, e si è determinato che per la fattibilità del processo, ovvero per evitare fenomeni di “scattering” del fascio laser e assorbimenti non voluti, è fondamentale utilizzare wafer di GaAs doppio-lucidati e non drogati.

Sono state analizzate le soglie di danneggiamento per GaAs e Ge monocristallini, selezionando la sorgente laser a nanosecondi. Infine, per valutare l’impatto del processo LELO sui materiali attivi delle celle fotovoltaiche, è stato cresciuto uno strato di InGaP sullo strato di Ge sacrificale (<1 μm) e si è verificato che il segnale di fotoluminescenza emesso dallo strato InGaP cala all’aumentare della fluenza laser, suggerendo di utilizzare uno spessore maggiore dello strato sacrificale di Ge per preservare i layer delle celle MJ.

L’assottigliamento del substrato assottigliamento mediante attacco chimico, indagato su wafers interi di Ge, ha mostrato la fragilità dei campioni sottili e la scarsa resa di processo, indicando la necessità di sviluppare appropriate tecniche per sostenere meccanicamente il campione.

Poiché le simulazioni hanno indicato che la nano-strutturazione della superfice posteriore del substrato di Ge assottigliato e/o la deposizione via PVD di ossidi nanostrutturati per la passivazione della superficie posteriore non portano vantaggi, è stato avviato uno nuovo studio preliminare per il riciclo dei substrati di Ge. La ricerca ha riguardato la crescita epitassiale di Germanio su substrati di Ge “ingegnerizzati”, ossia wafer al cui interno è presente uno strato poroso appena sotto la superficie epi-ready, che permetterebbe la separazione meccanica della crescita epitassiale dal wafer di Ge.

La deposizione omoepitassiale di Ge su tali substrati “ingegnerizzati” ha mostrato una rugosità superficiale promettente, ma con presenza di difetti e scarsa omogeneità. Per consentire la crescita di celle MJ su wafer di Ge “ingegnerizzati”, la ricerca dovrà essere indirizzata ad ottimizzare la temperatura e la velocità di deposizione, oltre che verso una migliore preparazione superficiale dei substrati in collaborazione con il fornitore.