Introduzione agli ossidi conduttivi trasparenti

Gli ossidi conduttivi trasparenti (TCO) costituiscono una classe unica di materiali che presentano simultaneamente elevata conducibilità elettrica e trasparenza ottica nello spettro visibile. Queste proprietà sono raramente presenti in natura, poiché i materiali più altamente conduttivi (come i metalli) sono opachi e i materiali più trasparenti (come il vetro) sono isolanti elettricamente.

Le TCO più utilizzate includono l'ossido di stagno indio (ITO), l'ossido di stagno con fluoro (FTO), e l'ossido di zinco con dosatura in alluminio (AZO). Ciascuno offre un equilibrio di conducibilità, trasparenza, costo e compatibilità di elaborazione. L'ITO rimane il punto di riferimento per le sue eccellenti proprietà elettriche e ottiche, ma la sua dipendenza da indio, un elemento scarso e costoso, ha guidato una ricerca significativa in materiali alternativi.

Il ruolo dei TCO nelle celle solari è duplice: agiscono come un elettrodo frontale trasparente che permette alla luce solare di raggiungere gli strati di assorbitore attivo, e raccolgono e trasportano i portacarichi fotogenerati al circuito esterno.

Proprietà elettriche chiave e loro misurazione

Conduttività elettrica e resistenza

[7cm] di conducibilità elettrica (`) è la misura fondamentale della capacità di un materiale di condurre corrente elettrica.

La resistenza è misurata utilizzando il metodo di sonda a quattro punti, che elimina gli errori di resistenza ai contatti utilizzando sonde separate di corrente e di rilevamento della tensione. La tecnica di van der Pauw è comunemente usata anche per i film sottili con geometrie arbitrarie. Queste misure forniscono la resistenza al foglio (R]sh]), espressa in ohms per quadrato (qΩ film

Concentrazione e mobilità dei vettori

[LT] [[6] [[6]] [[6]]] [[6]]] [[6]]] [[6]]]] [[6]]] [[6]]] [[6]]] [[6]]]] [[6]]]]] [[6]]]] [[6]]]]] [[6]]]]] [[6]]]]]]] [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[7]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[

La mobilità dei vettori (μ) caratterizza il modo in cui i vettori caricano rapidamente il materiale in un campo elettrico applicato. Le mobilità tipiche dei TCO variano da 10 a 50 cm2[[FLT::1]]]/V∙s, sebbene i valori superiori a 100 cm]2/V∙s siano stati segnalati film ad alta qualitÃ

Misurazioni di effetti Hall

Per determinare in modo indipendente la concentrazione e la mobilità dei vettori, vengono eseguite misurazioni dell'effetto Hall. Un sottile film di TCO è collocato in un campo magnetico perpendicolare, e la tensione indotta Hall viene misurata mentre una corrente scorre attraverso il campione. Il segno della tensione Hall indica il tipo di vettore di maggioranza (n-type o p-type), mentre la magnitudine produce la densità del vettore.

Dopant Ingegneria e Selezione dei Materiali

Ossido di tin indio (ITO)

ITO, tipicamente composti da 90% In2]O3] e 10% SnO2] in peso, è la più ampiamente studiata e commercialmente dominante TCO. La sua combinazione di alta conducibilità (resistivity come scarsità 1.2 × 1087

Ossido di stagno a doppiettante (FTO)

FTO è preparato con il doping di diossido di stagno (SnO2]) con il fluoro, che sostituisce l'ossigeno e introduce gli elettroni liberi. FTO ha tipicamente una resistenza leggermente più alta (∼7 × 10] < 8722;4 Ω

Ossido di zinco a doppi di alluminio (AZO)

AZO è un ossido trasparente conduttivo basato su ossido di zinco (ZnO) doppiato con alluminio. Gli atomi di alluminio sostituiscono lo zinco, donano un elettrone libero per sostituzione. AZO offre una resistenza all'ordine di 2–5 × 10]] −4 Ω

Emergenti TCO e Alternative

I metodi di produzione di zinco, di tipo tradizionale, sono utilizzati per la produzione di metalli diversi da quelli utilizzati per la produzione di energia elettrica, e per la loro produzione di energia elettrica, in particolare per la produzione di gas naturale, sono stati utilizzati per la produzione di gas naturale.

Fattori che influenzano le prestazioni elettriche

Tecniche di deposizione

La scelta della tecnica di deposizione ha un profondo impatto sulle proprietà elettriche dei film TCO. La diffusione è il metodo più ampiamente utilizzato nell'industria a causa della sua scalabilità, riproducibilità e capacità di depositare film di alta qualità a basse temperature di substrato.

Trattamenti post-deposizione

L'impastatura termica in vuoto, gas inerte, o ridurre le atmosfere possono aumentare la concentrazione dei vettori attivando i dopanti e promuovendo la formazione di vacanzie di ossigeno. Ad esempio, i film ITO spesso richiedono un ricottura a 300–400°C per ottenere la massima conducibilità e trasparenza.

Spessore del film e morfologia

Lo spessore del film influisce sia sulla resistenza del foglio che sulla trasmissione ottica degli strati TCO. Come aumenta lo spessore, il numero di percorsi di conduzione aumenta, riduce la resistenza del foglio, ma riduce anche la trasmissione a causa dell'assorbimento e dello spargimento del free-carrier.

Ruolo di TCO in diverse architetture solari delle celle

Celle solari di silicio

Le cellule a contatto tradizionali di silicio (c-Si) sono generalmente costituite da una griglia metallica (sponsabile) direttamente in contatto con l'emettitore, con un rivestimento antiriflesso (SiNx) che consente di ridurre le temperature a basso consumo di silicio.

Celle solari Thin-Film (CIGS, CdTe)

Le cellule solari Thin-film basate su rame indium gallium selenide (CIGS) e catamium telluride (CdTe) tipicamente impiegano TCO come elettrodo anteriore. Nelle cellule CIGS adiacenti, una struttura TCO bistrato viene spesso utilizzata: un sottile, altamente resistente ossido di zinco (i-ZnOanne) impedisce lo shunting causato da fori nello strato di buffer CstanddS, seguito da uno strato di un

Perovskite celle solari

Le cellule solari perimetrate (PSC) sono emersi come una tecnologia altamente promettente, con l'efficienza di conversione di potenza superiore al 25% nelle celle di laboratorio. La tipica architettura PSC include un substrato di vetro rivestito TCO, uno strato di trasporto elettrone (ETL, spesso TiO2]] o SnO2]2ov

Strategie di ottimizzazione e di avanzamento recenti

Un approccio promettente è l'uso di doping di idrogeno, in particolare in ossido di indio (IO:H), che raggiunge le mobilità sopra i 100 cm2[[37FLT:1]]/V∙s mantenendo basso assorbimento di carburanti liberi nell'infrarosso. Tali TCOV-SYD-TV-SYD-T-SY-T-T-SY-SY-SY-T-T-T-T-S-T-S-SY-S-SY-S-S-S-S-S-S-SY-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-A-A-S-A-S-A-A-A-S-A-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-A-A-S-S-S-T-S-S-T-

La ricerca di materiali computazionali mediante la teoria funzionale della densità (DFT) e gli esperimenti ad alto rendimento sta accelerando la scoperta di nuove composizioni TCO. Ad esempio, l'esplorazione di ossidi delafossiti (ad esempio, CuAlO]2]) e altri sistemi di analisi a p-tipo possono portare a elettronica trasparente all'ossido, anche se le loro conducibilità filmano troppo basso per le applicazioni a celle solari

L'integrazione di TCO con contatti passivi e strati di trasporto selettivi del vettore è un'altra area attiva. Nelle cellule di eterogiunzione del silicio, la funzione di lavoro di TCO può essere sintonizzata regolando il contenuto di ossigeno o utilizzando trattamenti superficiali per migliorare la selettività del contatto e ridurre la ricombinazione all'interfaccia.

Conclusioni

Le proprietà elettriche di ossidi conduttivi trasparenti sono fondamentali per le prestazioni delle celle solari moderne. L'elevata conducibilità e la bassa resistenza consentono una efficiente raccolta e trasporto di carica, mentre la concentrazione e la mobilità dei vettori devono essere accuratamente bilanciati per ridurre al minimo le perdite resistive e l'assorbimento parassita. La scelta del materiale TCO, sia ITO, FTO, AZO, o le alternative emergenti, dipende dalla specifica architettura delle celle solari, dalle condizioni di elaborazione e dai processi di elaborazione e dai costi.

La lettura delle proprietà elettriche di TCOs si trova in risorse come il ] National Renewable Energy Laboratory (NREL) pagine di ricerca fotovoltaica, riesamina articoli in Nature Energy, e testi completi su ossido di conducibilità trasparente.