Studio della Morfologia di Film Sottili di Silicio Nanocristallino Idrogenato per Applicazioni Fotovoltaiche mediante Microscopia a Forza Atomica

La scarsa disponibilità di silicio adatto per dispositivi fotovoltaici è un problema che rischia di limitarne la rapida crescita del mercato; l’impiego del nc-Si:H per applicazioni fotovoltaiche rappresenta una possibilità di ridurre drasticamente il consumo di materia prima.
Il silicio nanocristallino idrogenato può essere immaginato come uno strato di silicio amorfo in cui sono inclusi, più o meno uniformemente, nanocristalli di silicio organizzati in strutture colonnari. Ogni nanocristallo è organizzato al suo interno secondo la struttura regolare del silicio cristallino.
Il silicio nanocristallino si presenta quindi come un materiale multifasico, nel quale sono state individuate sei fasi differenti: nanocristalli, domini di nanocristalli, ovvero gli agglomerati di cristalliti di forma colonnare (o conica), matrice di a-Si:H, vacanze e infine due tipi di tessuto disordinato di silicio che può trovarsi tra cristalli adiacenti o tra colonne adiacenti. Nonostante già da diversi anni siano in corso analisi sulle proprietà morfologiche e optoelettroniche di questo materiale, queste non sono ancora state completamente comprese, così come la correlazione tra le proprietà fisiche e i parametri di crescita, a causa della complessità della sua struttura.
Diversi studi hanno mostrato che questo materiale presenta un band gap di 1.52 eV, valore intermedio tra silicio cristallino (1.12 eV) e a-Si (1.75 eV), un’efficienza intorno all’11%, confrontabile con quella dei moduli a Si amorfo, e un coefficiente di assorbimento tipicamente superiore rispetto agli altri dispositivi al silicio. Inoltre è stata osservata una riduzione della degradazione dovuta all’effetto Staebler-Wronski, che riguarda prevalentemente la fase amorfa del materiale e induce la formazione di difetti nelle zone di confine tra questa e i grani. L’incidenza di questo effetto quindi può variare molto a seconda della conformazione specifica della cella.
Infine, nuove tecniche di crescita (come la LEPECVD) permettono di impiegare temperature di deposizione relativamente basse (inferiori a 300°C), che consentono di utilizzare materiali più economici per il substrato (come vetro o materie plastiche, invece del silicio). Nonostante questi vantaggi, le potenzialità del nc-Si come futuro sostituto del silicio bulk per celle solari ad alta efficienza sono ancora materia di dibattito; soltanto una ricerca volta a chiarire la relazione tra processo di crescita e proprietà fisiche può dare una risposta defenitiva alla questione.