In continuità con il precedente periodo di Ricerca di Sistema (RdS), è proseguita l’attività di sviluppo di celle a multi-giunzione (MJ) basate sui composti III-V e IV, in cui sono state esplorate nuove architetture di celle. È stato sviluppato un primo dispositivo funzionale a quattro giunzioni (4J) InGaP/InGaAs/Ge/Ge, ottenuto depositando tutti gli strati del dispositivo nella medesima camera di crescita MOVPE e prevedendo un’architettura di cella a tre terminali (3T), in cui le due giunzioni di Ge possono interagire per effetto transistor.

Il dispositivo funzionale è stato realizzato utilizzando solo contatti frontali di tipo “busbar”. Nonostante questa semplificazione, la parte 3J superiore (InGaP/InGaAs/Ge) del dispositivo funzionale 4J ha presentato un valore di efficienza con spettro AM1.5d-ASTM-G173-3 (1000 W/m²) del 24%. Utilizzando una griglia metallica, il valore può essere estrapolato al 27% e risulta uguale al valore di efficienza misurato per una cella 3J – InGaP/InGaAs/Ge, con medesima struttura, ma depositata in una camera di crescita MOVPE priva di contaminazioni da elementi del gruppo IV.

La cella al Ge inferiore del dispositivo 4J ha mostrato un valore di efficienza del 2.15% superiore a quello teorico del 1,48%, grazie all’effetto transistor che non è ancora previsto negli attuali modelli di simulazione. I risultati raggiunti hanno un elevato valore tecnologico e scientifico. Realizzando l’intera struttura del dispositivo a MJ all’interno della medesima camera di crescita MOVPE, RSE ha dimostrato che è possibile superare il problema della “contaminazione reciproca” tra elementi III-V e IV che aveva fino ad oggi ostacolato un percorso tecnologico commercialmente competitivo per tali dispositivi. Il dispositivo 4J ha, inoltre, una nuova architettura che sfrutta “l’effetto transistor” in modo innovativo, per trasferire potenza dalla giunzione Ge superiore a quella Ge inferiore.

In questo modo, il mismatch fra le correnti prodotte nella parte 3J-InGaP/GaAs/Ge del dispositivo 4J viene pressoché eleminato, mentre si ottiene un aumento dell’efficienza quantica nella giunzione inferiore di Ge, che permette di incrementare il valore di efficienza di conversione della cella a MJ. Il rapporto descrive i processi di deposizione MOVPE, ottimizzati in un intervallo di temperatura tra i 460°C e 590°C , ed i processi  “post crescita” che hanno permesso la realizzazione del dispositivo a 4J InGaP/GaAs/Ge/T/Ge-3T. È descritto il processo litografico, quello di attacco chimico per la realizzazione del “terzo” terminale, la deposizione dei metalli, considerando la realizzazione di griglie metalliche frontali con rebbi a profilo triangolare anziché rettangolare, e la simulazione e lo sviluppo di coatings antiriflettenti innovativi ad indice di rifrazione graduale.

Sono descritte anche le tecniche diagnostiche proposte per la caratterizzazione del dispositivo a MJ. Le misure di efficienza quantica e corrente-tensione mai effettuate su questo genere di dispositivi hanno richiesto un’intensa attività di caratterizzazione per l’individuazione delle condizioni di polarizzazione luminosa ed elettrica necessarie. I risultati ottenuti, da una parte, aprono la strada alla realizzazione di celle solari più efficienti che sfruttano gli elementi III-V e quelli del gruppo IV, dall’altra indicano la necessità di sviluppare nuovi programmi di simulazione delle performance che includano l’applicazione dell’effetto transistor per ampliare la combinazione di materiali con diverso energy gap e ottenere celle solari MJ di nuova concezione.