Nel periodo di riferimento ci si è focalizzati sullo sviluppo dei processi “post-growth” necessari per la realizzazione della cella fotovoltaica a concentrazione ad alta efficienza basandosi sui dati di simulazioni ottenuti nelle attività di Ricerca di Sistema del PAR 2014, in modo da incrementare di unpunto percentuale il valore di efficienza di conversione del dispositivo rispetto a quello ottenuto con la cella a tripla giunzione finora realizzata da RSE. Per aumentare l’efficienza di conversione della cella fotovoltaica è stato necessario ridisegnare la maschera del contatto metallico superiore e quindi tutte le maschere successive per passare dalla cella con dimensioni standard di 5.4 mm x 5.4 mm finora realizzata a una miniaturizzata di 2.4 mm x 2.4 mm.

Per realizzare le nuove maschere sono stati sviluppati due diversi processi di litografia: quella a fascio elettronico utilizzando il nuovo sistema di litografia installato in RSE e la foto-litografia UV, che è normalmente utilizzata nella fabbricazione dei dispositivi elettronici integrati. Per quanto riguarda la litografia con fascio elettronico, è stato sviluppato il disegno della cella di 2.4 mm x 2.4 mm utilizzando il nuovo microscopio a scansione elettronica(SEM) di RSE. Per ottenere la dose energetica corretta del fascio elettronico del SEM, che permette di sviluppare completamente la cella dopo la litografia, è stata realizzata una matrice di celle litografate a dosi crescenti impostando la corrente a 11,5 nA e la tensione di accelerazione a 20 kVolt. La doseottimale ottenuta è di circa 570µC/cm2.

Grazie al nuovo sistema di litografia è possibile realizzare celle con dimensioni miniaturizzate. E’ stata inoltre realizzata anche una cella con dimensioni 720µm x 720 µm. In questo caso la dose ottimale tale per cui la cella sia correttamente sviluppata è di 190µC/cm2. Per quanto riguarda la foto-litografia UV, i disegni delle nuove maschere del contatto frontale e dell’ossido antiriflesso della cella sono state sviluppate completamente da RSE. I disegni sono stati poi litografati sufoto-maschere da utilizzare con foto-litografia UV, che è stata quindi applicata su wafer campione da un fornitore esterno specializzato.

Entrambi le tecniche hanno permesso di definire il processo per la realizzazione della maschera del contatto frontale della cella miniaturizzata con area attiva di circa 4 mm2. Grazie alla realizzazione delle nuove foto-maschere UV, si è potuto valutare un metodo di misura alternativo della resistenza di contatto tra il metallo del contatto superiore della cella e il semiconduttore sottostante (strato superficiale CAP di GaAs della cella). Fino ad ora le misure di resistenza di contatto e di resistenza di strato del semiconduttore erano state eseguite utilizzando il metodo LTLM (Linear Transmission Line Method), che richiede il processo d’isolamento elettrico (usualmente eseguito con un attacco chimico o un taglio (isolamento MESA) per prevenire la dispersione della corrente nel substrato (crowding). Per stimare la bontà del contatto metallo-semiconduttore e la resistenza di strato senza dover realizzare l’isolamento MESA è stato valutato il metodo CTLM (Circular Transmission Line Method).

Per eseguire le misure è stato predisposto un nuovo banco di lavoro e un software tale che permette di eseguire misure con sonde sia a 2 che a 4 punte. Le misure con sonde a 4 punte consentono di minimizzare l’effetto delle resistenze serie dovute all’apparato di misura. Sono state eseguite diverse misure su un wafer foto-litografato e metallizzato, ma su cui non è stato eseguito l’isolamento MESA. Le misure di resistenza di contatto hanno mostrato che effettivamente il nuovo metodo utilizzato permette di avere la valutazione della resistenza di contatto senza necessità di utilizzare il processo MESA. Per eliminare lo stress ottenuto dovuto al taglio meccanico per la separazione delle celle sul wafer si è valutata l’opportunità di eseguire l’isolamento tra le celle con un solo processo chimico, in modo da ottenere pareti meno difettose e quindi prestazioni della cella migliori.

A tale scopo sono state eseguite alcune prove preliminari di attacco ad umido MESA su una tripla giunzione. Le prove sono state eseguite mascherando con film polimerico (blu foil) una parte di wafer (cella multi-giunzione di RSE) e attaccando quindi la parte scoperta con soluzioni differenti: HIO3:HCL:H2O e HIO3:HCl. In seguito ai buoni risultati ottenuti dalla soluzione di HIO3 : HCl, si è proceduto a mascherare il wafer RDS435-5B, su cui era stata cresciuta solo la sotto-cella top (InGaP) della cella a tripla giunzione, con 1µm di TiO2 tramite una maschera a contatto. La sotto-cella top è stata attaccata completamente.

Questo risultato indica che la chimica di attacco è efficace sui materiali che costituiscono la cella a MJ realizzata da RSE e può essere applicata per realizzare l’attacco MESA della cella a tripla giunzione. Gli sviluppi successivi dell’attività consisteranno nel provare la soluzione di attacco su una tripla giunzione con maschera resist per valutare la selettività della soluzione verso il resist e il profilo di attacco.

Tramite misure di risposta spettrale si verificherà inoltre se l’attacco a umido MESA è in grado di migliorare le prestazioni della cella fotovoltaica rispetto a un isolamento eseguito tramite taglio meccanico. Il metodo d’isolamento descritto fino ad ora può essere applicato alla cella miniaturizzata che si sta sviluppando che, dopo essere stata separata, dovrà essere necessariamente incollata su un dissipatore in modo da poter eseguire le caratterizzazioni successive. Essendo la cella miniaturizzata di dimensioni 2.4 mm x 2.4 mm e quindi molto piccola, è stato necessario valutare ed acquisire una attrezzatura denominata “Pick & place die bonders”, che permette di manipolare le celle e di incollarne il retro al dissipatore in modo semiautomatico. Dopo l’incollaggio (bonding) del retro delle celle sul dissipatore tramite una colla epossidica, per completare i collegamenti elettrici della cella al suo ricevitore, sarà eseguito il processo di wire bonding, che è già stato sviluppato da RSE nell’attività RdS del PAR 2014.