Plasmonic Nanostructures for Enhanced Photovoltaics

The aim of this work is to investigate the role of optical resonances supported in different layouts of solar cells integrating metallic plasmonic gratings. A simplified ideal model was first developed in order to clarify the role and the potentialities that all the optical resonances involved in such structures have in remodulating light absorption. In a further analysis, a global optimization of both geometrical parameters of the grating (period, thickness, slit width) as well as the dielectric environment has been performed, considering different solar cell layouts, in order to obtain a gain in absorption over the widest bandwidth of solar spectrum. Following the simulation and optimization results, a nanofabrication process for the integration of metal nanostructures on top of large area c-Si solar cells has been designed. A new Laser Interference Lithography system, useful for the fabrication of large area plasmonic structures has been designed, constructed and tested. Several processes have been designed and performed and new materials have been also developed (e.g. Hybrid Organic-Inorganic solgel sinusoidal gratings). System performances are still growing toward the control of the full set of geometric parameters of the structures that can be fabricated. After nanofabrication, performances of solar cells integrating plasmonic crystals have been verified by electro-optic characterizations. Polarization resolved Specular Reflectance measurements of patterned solar cell samples were performed and results validate the model. Figures of merit of devices integrating plasmonic crystals, current density (JV) as well as External Quantum Efficiency (EQE), have been also measured. JV characteristics show a significant improvement in conversion efficiency for cells integrating the Ag nanostructures compared to flat reference cells. Such improvement is mainly due to the enhancement in short circuit current due to the light trapping effect provided by the plasmonic crystals. The EQE spectra of cells with gratings show an enhancement in near infra-red response for TM polarization, as expected from optical simulations, and also an unexpected measured improved absorption in the visible. The latter is a further indication of effectiveness of plasmonic nanostructures in light harvesting.

Negli ultimi anni, la comunità scientifica ha largamente riconosciuto la possibilità di impiegare i fenomeni legati alle risonanze plasmoniche nei metalli, sfruttandone le particolari caratteristiche per il miglioramento delle performance di dispositivi optoelettronici. Tali soluzioni sono spesso ampiamente vantaggiose, ad esempio nel campo della sensoristica, in termini di miglioramento dell’efficienza nella rivelazione di specie chimiche e biologiche. Un altro campo di crescente attenzione è l’applicazione delle plasmonica al fotovoltaico. In tal caso, la capacità dei reticoli plasmonici di rimodulare lo spettro della radiazione solare incidente consente di migliorare l’efficienza di conversione energetica. In questo contesto si colloca questo lavoro, incentrato nel corso di questi tre anni, nello studio, nella realizzazione e nella caratterizzazione di reticoli plasmonici con l’intento di integrarli in dispositivi più complessi, come le celle fotovoltaiche a silicio cristallino. In primo luogo, si è proceduto sviluppando un modello semplificato di reticolo metallico, posto al di sopra di uno strato semi-infinito di silicio, al fine di chiarire il ruolo e le potenzialità delle risonanze ottiche che si generano quando il dispositivo viene irradiato dall’alto da una sorgente monocromatica polarizzata. Successivamente, è stata condotta una ulteriore analisi di ottimizzazione globale dei parametri geometrici e dei materiali su diverse configurazioni di celle solari, al fine di individuare le caratteristiche tecniche migliori che garantissero un guadagno in assorbimento, integrato sulla più ampia porzione di spettro solare. Le fasi di simulazione e ottimizzazione sono state infine seguite dal design di un processo di nanofabbricazione che permettesse l’integrazione delle nanostrutture metalliche ottimizzate su celle solari a silicio cristallino. Parte del lavoro è stato mirato alla progettazione e realizzazione di un sistema di litografia per la nanofabbricazione di reticoli plasmonici su grandi aree, chiamato Litografia Interferenziale che, dai primi mesi del 2010 è operativo presso l’Istituto IOM – CNR di Trieste. Mediante l’utilizzo di questa tecnica sono stati messi a punto diversi processi di nanofabbricazione, tra i quali quello per la realizzazione di reticoli con profilo sinusoidale e la loro integrazione in un biosensore per la rivelazione di DNA e lo studio delle potenzialità in termini litografici di materiali di tipo solgel ibridi organici\inorganici. Il processo per la realizzazione dei reticoli sulle celle solari è stato messo a punto e i campioni realizzati sono stati analizzati mediante misure morfologiche (SEM, AFM) e ottiche. Infine, le celle solari ottenute sono state caratterizzate mediante le misure delle principali figure di merito, tra cui le caratteristiche di densità di corrente-tensione (JV) e l’efficienza quantica esterna (EQE). Dalle misure JV è stato riscontrato un significativo aumento di efficienza per le celle integranti i reticoli plasmonici, in confronto a quelle convenzionali usate come riferimento, principalmente dovuto all’aumento della densità di corrente di corto circuito. Gli spettri di EQE mostrano un aumento nella regione del vicino infrarosso, per luce incidente polarizzata in modo tale da eccitare anche risonanze plasmoniche, come atteso dai risultati del modello sviluppato. I risultati raggiunti e presentati in questa tesi dimostrano l’effettiva possibilità dell’uso di nanostrutture metalliche per il rimodulazione e altresì il controllo del fenomeno di assorbimento della luce all’interno delle celle fotovoltaiche a silicio cristallino. I risultati soddisfano ampiamente le ipotesi in quanto aprono una nuova frontiera per l’applicazione anche ad altri tipologie di celle quali ad esempio quelle a film sottile o organiche. In tali dispositivi, infatti, la riduzione del materiale assorbente, al fine di massimizzare la raccolta della carica e di ridurre i costi, rende di primaria importanza la ricerca di queste nuove soluzioni per il miglioramento dell’assorbimento della luce. La direzione verso cui si stanno concentrando enormi sforzi di ricerca negli ultimi anni è quella della realizzazione di dispositivi “spessi dal punto di vista della luce incidente e sottili per la raccolta della carica generata”.