Laser e tecnologie innovative: uno studio del Dipartimento di Fisica e Astronomia per il fotovoltaico del futuro
Lo studio “Pulsed Laser Annealed Ga Hyperdoped Poly-Si/SiOx Passivating Contacts for High-Efficiency Monocrystalline Si Solar Cells”, realizzato da un team coordinato dal professor Enrico Napolitani del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova, in collaborazione con il NREL – National Renewable Energy Laboratory e pubblicato su «Energy & Environmental Materials», mostra un’interessante applicazione della tecnologia laser che consente di potenziare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici.
Il fotovoltaico costituisce senz’altro una delle tecnologie più promettenti nello scenario attuale di crisi climatica ed energetica, per il quale è cruciale l’adozione di fonti energetiche rinnovabili a basso costo. Il funzionamento delle celle fotovoltaiche, che sono costituite di silicio, il secondo elemento per abbondanza presente sulla Terra, si basa sulla capacità del materiale di assorbire la luce e convertirla in energia elettrica. Il meccanismo fisico alla base di tale processo è quello della separazione delle cariche negative da quelle positive e la loro estrazione dal silicio, che genera una corrente elettrica, sfruttabile nella vita di tutti i giorni.
La tecnologia innovativa TOPCon (Tunnel Oxyde Passivated Contacts), basata sull’inserimento di un sottilissimo strato di ossido di silicio sotto la superficie di silicio, consente il potenziamento della separazione delle cariche e della loro raccolta. L’efficienza dei sistemi fotovoltaici viene migliorata anche attraverso l’introduzione di atomi “droganti”, in grado di modificare opportunamente, attraverso l’utilizzo di impulsi laser ultraveloci, le proprietà del silicio.
«La soluzione che abbiamo trovato assieme a NREL – spiega il professor Enrico Napolitani, – utilizza impulsi laser ultraveloci della durata di una decina di nanosecondi, cioè dell’ordine dei centomilionesimi di secondo – disponibili nel nostro nuovo laboratorio di Laser Processing finanziato dall’Università di Padova – per applicare degli shock termici alla superficie del silicio. Il riscaldamento è tale da indurre un drogaggio di qualità eccellente ma il processo è così veloce che l’ossido di silicio, localizzato più in profondità, si scalda poco e rimane assolutamente intatto».
La luce ultravioletta utilizzata induce un riscaldamento estremamente localizzato, grazie alla brevissima durata degli impulsi laser, che però hanno un’energia così elevata da liquefare gli strati più superficiali del silicio (poche decine di nanometri) che, alla fine dell’impulso, ricristallizzano. In tal modo il drogante, inizialmente posto sopra la superficie del silicio, si redistribuisce molto velocemente all’interno della fase liquida. Successivamente la ricristallizzazione avviene in modo talmente rapido da “congelare” il drogante incorporandolo nella fase solida cristallina a concentrazioni elevatissime, ben superiori alle solubilità solide di equilibrio. In questo modo si riesce a potenziare l’effetto degli atomi droganti, la cui concentrazione è molto maggiore di quella ottenibile con altre tecniche, mantenendo allo stesso tempo intatto l’ossido sottostante, con notevoli effetti benefici sul funzionamento della cella fotovoltaica.
«È una metodologia che applichiamo con successo in molti ambiti per sintetizzare nuovi materiali: dalla nanoelettronica, alla fotonica, alla fotocatalisi, ai rivelatori per le alte energie – conclude Napolitani – ma non l’avevamo mai applicata al fotovoltaico solare. I risultati sono molto incoraggianti e in futuro, nel gruppo di Fisica dei Semiconduttori del nostro Dipartimento, approfondiremo ulteriormente i nostri studi, anche grazie alla nostra partecipazione al Partenariato Esteso NEST – “Network 4 Energy Sustainable Transition”, recentemente finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del PNRR».