Rezultate, December 2024

Încercând mărirea eficienţei celulelor solare fotovoltaice (PV) se caută în acelaşi timp şi reducerea costurilor lor de fabricaţie (0.25-0.5 Euro/Wp) prin folosirea de substraturi ieftine cu diametre mari din materiale care sunt disponibile din abundenţă pe pământ, ca de pildă siliciu. O adevarată integrare monolitică a structurilor semiconductoare III-V cu siliciu trezeşte un mare interes deoarece permite simultan eficienţă înaltă şi costuri de producţie scăzute. Aliajele din nitruri ale grupului III, ca InGaN, au unicul avantaj al celei mai largi ajustări de benzi interzise directe de la 0.65 eV (InN) la 3.42 eV (GaN). Astfel, eforturi intense au fost dedicate până acum folosirii InGaN ca absorber în celule solare pe Si.

Totuşi, în ciuda rezultatelor provocatoare, folosirea InGaN ca un veritabil material PV este încă în stadiile primare datorită în principal deteriorării severe a calităţii materialului după încorporarea de In în concentraţii mari, necesare obţinerii de bandă interzisă mică în celula tandem.

 Proiectul si-a propus sa atenueze acest neajuns in dezvoltarea celulelor solare InGaN/AlN/Si prin propunerea unui material inovativ, BGaN, capabil sa fie compatibil in reţea cu AlN, permiţând în acelaşi timp şi o reducere a benzii interzise. Astfel, folosind o tehnică de creştere avansată, şi  anume epitaxia din fascicul molecular (MBE), compuşi ternari BGaN/AlN/Si(111) au fost sintetizaţi prin MBE aşa cum se observă în figura (1). Utilizarea ulterioară a materialului într-o structură de celulă solară pe siliciu duce la o scădere nedorită a curentului de scurtcircuit însoţită şi de o diminuare a voltajului de circuit deschis în comparaţie cu o celulă de referinţă (Fig. 2). Dacă diminuarea fotovoltajului poate fi pusă pe seama reducerii benzii interzise a BGaN faţă de GaN, scăderea fotocurentului sugerează că în ciuda compensării strain-ului prezenţa borului duce inevitabil la o deteriorare a matricei semiconductorului gazdă, chiar de la concentraţii de mici de bor > 1-2 %, demonstrat experimental (Fig.3).

 

 

Rezumat executiv Etapă I 2022

Sinteza de compus semiconductor BGaN pe șabloanele de AlN_on_Si(111) a fost realizată pentru prima oară prin epitaxie din fascicul molecular (molecular beam epitaxy sau MBE). În comparaţie cu studiile anterioare când a fost folosit MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) ca tehnică de creștere (S Sundaram et al 2016 Nanotechnology 27 115602) o cantitate aproape dublă de bor (3.8% fată de 2% anterior) a ȋncorporată ȋn GaN, demonstrând fezabilitatea tehnicii de creștere aleasă pentru sinteza acestui material. Totuși, cantitatea de bor ȋncorporată ȋn aceste studii preliminarii rămâne mai mică decât cea obţinută anterior (7.7%) cu folosirea șabloanelor de GaN_on_Al2O3, sugerând atât un mai bun management al stress-ului ȋn șabloanele AlN_on_Si(111) cât și adaptarea unor tehnici de creștere cât mai departe de echilibru prin MBE pentru a depăși slaba solubilitate a B ȋn GaN. Pagina de web a proiectului a fost realizată (www.imt.ro/EFFICIENSi/) și va fi actualizată constant cu noile rezultate obţinute ȋn desfășurarea proiectului.

________________________________

Rezultatele estimate ale proiectului sunt:

1) Incorporarea unei cantitati de B in GaN de cel putin 8% mentinand conditiile de acordare in reteaua cristalina cu structurile de forma AlN-on-Si avand cost redus.
2) Cresterea si procesarea unei celule solare BGaN/AlN-on-Si acordata in reteaua cristalina.
3) Cel putin 5 articole ISI in reviste cu factor de impact ridicat si 3 prezentari la conferinte internationale.
4) O cerere de brevet de inventie.