La strategia che RSE sta seguendo per aumentare l’efficienza di conversione fotovoltaica e ridurne i costi è quella di sviluppare celle a quattro giunzioni InGaP/InGaAs/SiGeSn/Ge, monolitiche, operanti ad alto fattore di concentrazione (1000 soli). I calcoli teorici mostrano, che è possibile ottenere con questo dispositivo a multigiunzione (MJ) valori di efficienza di conversione intorno al 45%, senza introdurre un aggravio nei costi di processo rispetto a quelli previsti per la cella InGaP/InGaAs/Ge, in quanto la cella a quattro giunzioni proposta necessita dei medesimi processi di ”front-end” già sviluppati per la cella a tripla giunzione. L’attività svolta nel 2017 ha permesso di ottimizzare la crescita della struttura a tripla giunzione InGaP/InGaAs/Ge, per renderla maggiormente integrabile nel dispositivo a 4 giunzioni e di progredire nello sviluppo del materiale ternario SiGeSn. In particolare, per contrastare i processi interdiffusivi che possono compromettere il funzionamento dei diodi tunnel, utilizzati nella cella a multigiunzione (MJ) per connettere elettricamente le diverse giunzioni, è proseguito lo studio della crescita MOCVD a bassa temperatura, che nel 2016 aveva riguardato l’InGaP.

Nel 2017 lo studio si è allargato a considerare l’effetto dell’abbassamento della temperatura sulla qualità delle interfacce InGaP/InGaAs ed è stato successivamente focalizzato sull’ottimizzazione della crescita dell’InGaAs a bassa temperatura. A supporto delle attività delle Task 2 e nel Task 3, svolte nello stesso progetto RDS, legate allo sviluppo dei processi post crescita e dei rivestimenti antiriflettenti nanostrutturati, l’attività di crescita ha riguardato anche la deposizione di strati di AlInP di elevato spessore e lo sviluppo della sotto-cella top di InGaP. Questo dispositivo, in particolare, è stato utilizzato per valutare la possibilità di utilizzare la tecnica di deposizione per co-sputtering senza danneggiare la giunzione. Per ottimizzare la deposizione MOCVD del SiGeSn, è stata sostituita la sorgente gassosa di IBuGe con il GeH4. Questa scelta ha consentito di aumentare la velocità di deposizione di un ordine di grandezza, passando da 0.6 nm/min a 7 nm/min.

Il materiale ternario è stato cresciuto su substrati di Ge, con diametro da 4 e 6 pollici con un parametro reticolare eccellentemente adattato a quello dei substrati. La qualità cristallografica è stata valutata tramite misure di diffrazione a raggi X ad alta risoluzione (HRXRD). Mentre l’integrazione del ternario SiGeSn con i compositi III-V era stata realizzata fino ad oggi utilizzando differenti apparecchiature di crescita, in questo rapporto vengono presentati per la prima volta i risultati circa la consistente riduzione delle contaminazioni reciproche fra gli elementi del gruppo IV (Si, Ge e Sn) ed i composti III-V (Ga, In, P e As) in seguito alla deposizione dei materiali ternari SiGeSn, InGaP ed InGaAs nella medesima camera di crescita MOCVD. Allo scopo di abbattere ulteriormente i costi, RSE ha avviato nell’ambito della Task 2 del medesimo progetto RDS, uno studio preliminare per valutare le differenti tecniche che possono essere utilizzate per assottigliare o riciclare il substrato.

A complemento di tale attività, nel seguente rapporto sono riportati i risultati delle simulazioni effettuate sul dispositivo a tripla giunzione InGaP/InGaAs/Ge in cui lo spessore del substrato di Ge è stato ridotto a circa una decina di microns. Poiché la simulazione delle performance di tale dispositivo sono complicate dall’instabilità numerica del metodo della matrice di transfer (TMM), che si utilizza per il calcolo della radiazione elettromagnetica presente nei diversi strati della cella, per superare le difficoltà di calcolo, RSE ha messo a punto un apposito programma di simulazione in ambiente Matlab, implementando il metodo della “matrice di scattering” (S-method). Sono quindi presentati i risultati delle simulazioni ed in particolare l’incremento nel valore della tensione di circuito aperto del dispositivo, dovuto alla riduzione del volume del substrato e quindi alla riduzione delle perdite per ricombinazione dei portatori.