È stato svolto uno studio focalizzato a raccogliere le diverse esperienze riportate in letteratura relative all’accoppiamento elettro-ottico tra materiali III-V ed il silicio per la realizzazione di celle tandem ad alta efficienza e in generale sulla struttura su tali celle.

Sono riportati i tre diversi approcci tecnologici attualmente proposti: i) quello monolitico, che prevede la crescita per etero-epitassia di strati buffer metamorfici su Si, ii) quello inerente il “wafer bonding” che prevede un processo di incollaggio dei materiali su Si attraverso l’utilizzo di adeguati trattamenti delle superfici, iii) il “mechanical stacked”, che prevede un accoppiamento meccanico dei composti III-V con il Si,  utilizzando opportuni materiali intermedi trasparenti e in alcuni casi anche conduttivi.

I diversi approcci tecnologici hanno portato a sviluppare dispositivi a due, a tre e a quattro giunzioni (2J, 3J e 4J), in cui il silicio costituisce la sotto-cella bottom o la cella intermedia. In tutte le simulazioni delle performance effettuate sia in letteratura che da RSE in questo lavoro, emerge come elemento critico, comune ai diversi design dei dispositivi, la trasparenza ottica del materiale collocato superiormente alla sotto-cella bottom di Si, il cui valore deve essere il più elevato possibile per massimizzare l’efficienza di conversione.

Nel caso di celle a 2J, di particolare interesse sono quella basate sull’utilizzo dell’InGaP per la realizzazione della cella top. Tali dispositivi, quando realizzati con le tecniche wafer bonding o mechanical stacked, presentano i valori di efficienza più elevati, anche se l’utilizzo dell’approccio monolitico risulterebbe più economico. RSE ha iniziato a mettere a punto un programma di simulazione per valutare come ottimizzare strutture di celle tandem, InGaP su Si (2J) a due terminali, in cui i materiali sono accoppiati meccanicamente tramite uno strato intermedio trasparente e conduttivo.

Per una valutazione più realistica delle simulazioni, sono stati utilizzati da RSE le proprietà ottiche del materiale InGaP depositato con la tecnica MOVPE (epitassia in fase vapore con composti metallorganici). I risultati della simulazione, in accordo con quelli riportati in letteratura, hanno indicato che il valore della soglia energetica del materiale da utilizzare per evitare la formazione di difetti e massimizzare l’efficienza del dispositivo tandem deve essere inferiore a 1,87 eV e maggiore di 1,82 eV.

È stato inoltre valutato preliminarmente l’approccio monolitico che prevede l’utilizzo di strati buffer della lega ternaria Si_xGe_1-x-ySn_y depositati mediante MOVPE su substrati virtuali Si/Ge. Infine, sono stati brevemente analizzati gli aspetti economici per la valutazione dei costi di realizzazione di tali celle tandem e per indirizzare le future ricerche in questo ambito.