Design and Optimization of Advanced Layers for Enhanced Performance in Silicon-Based Solar Cells [Progettazione e Ottimizzazione di Layer Innovativi per Migliorare le Prestazioni delle Celle Solari a Base di Silicio]

The growing global demand for energy, along with the urgent need to mitigate climate change, underscores the importance of adopting renewable energy as a sustainable alternative to fossil fuels. Among these, solar energy, in particularly through the advancements in the photovoltaic (PV) industry, has seen notable progress in recent years, offering a promising solution to the challenges posed by global warming. However, significant obstacles remain, particularly in improving the efficiency of solar panels and reducing production costs. Key characteristics of solar devices, such as charge carrier lifetime, energy conversion efficiency and the use of earth-abundant materials, are continuously optimized, alongside efforts to lower production and installation costs. A major challenge remains in developing cost-effective, efficient transparent conductive oxides (TCOs) that do not rely on indium, a material that is both scarce and expensive. Research is increasingly focused on identifying alternative materials and dopants that can replace indium without compromising the performance of photovoltaic devices. This thesis presents the experimental research carried out during my PhD in Materials Science and Nanotechnologies, aimed at advancing photovoltaic technology, through innovative approaches. The research covers several key areas, including the exploration of new materials and layer structures that can be integrated into solar cells to enhance performance while ensuring sustainability. The initial section provides an overview of the history and evolution of silicon-based solar cell technology, highlighting its fundamental role in terrestrial photovoltaic systems. The thesis also explores future cell designs, focusing on overcoming the material limitations of current technologies. One of the main focuses of this work is to reduce the dependance on indium in the transparent electrodes of solar cells. Several strategies were explored. First, the potential of intrinsic doping in metal oxides was studied to develop transparent electrodes from binary materials without the need for metallic dopants. This approach could lead to more sustainable electrode solutions to meet future photovoltaic demands. Second, zirconium was investigated as an alternative dopant for indium oxide. Zirconium-doped indium oxide (IZrO) showed excellent conductivity and performance, even at ultra-thin thicknesses, enabling a significant reduction in indium use by up to 75%. While IZrO is a promising material, further studies are needed to fully optimize its optical and electrical properties for integration into various solar cell architectures. Boron-doped zinc oxide (BZO) has also been examined as a potential indium-free alternative for transparent conductive oxides. Although BZO films demonstrated promising optical transparency, their electrical properties were not sufficient for use in TCO applications. Nevertheless, a new design was proposed and tested, incorporating a BZO thin film as the electron transport layer in a perovskite solar cell. This modification yielded encouraging results, suggesting that this design may have significant potential for further development. Lastly, the research focused on optimizing laser cutting techniques for half-cell solar technologies, investigating a simple yet effective method to enhance photovoltaic module power without altering the cell architecture. By fine-tuning the laser cutting parameters and analyzing their impact on solar cell damage, we were able to minimize efficiency losses in bifacial Silicon Heterojunction (SHJ) cells. The performance of full versus half-cell designs was compared, and we identified the key factors contributing to efficiency reductions, paving the way for improved design strategies. In conclusion, this thesis contributes to the ongoing development of cost-effective, efficient, and sustainable photovoltaic technologies, providing valuable insights into alternative materials and innovative processes that can support the industry's scaling to terawatt levels in the coming years.

La crescente domanda globale di energia, insieme all'urgenza di mitigare il cambiamento climatico, sottolinea l'importanza di adottare le energie rinnovabili come alternativa sostenibile ai combustibili fossili. Tra queste, l'energia solare, in particolare grazie ai progressi nell'industria fotovoltaica (PV), ha registrato sviluppi significativi negli ultimi anni, offrendo una soluzione promettente alle sfide poste dal riscaldamento globale. Tuttavia, rimangono importanti ostacoli, soprattutto nel miglioramento dell'efficienza dei pannelli solari e nella riduzione dei costi di produzione. Le caratteristiche fondamentali dei dispositivi fotovoltaici, come il tempo di vita dei portatori di carica, l'efficienza di conversione energetica e l'impiego di materiali abbondanti in natura, vengono continuamente ottimizzate, parallelamente agli sforzi per ridurre i costi di produzione e installazione. Una sfida cruciale consiste nello sviluppo di ossidi trasparenti conduttivi (TCO) efficienti ed economicamente vantaggiosi, che non dipendano dalla presenza di indio, un materiale raro e costoso. La ricerca si concentra sempre più sull'identificazione di materiali e droganti alternativi che possano sostituire l'indio senza compromettere le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici. Questa tesi presenta la ricerca sperimentale condotta durante il mio dottorato in Scienza dei Materiali e Nanotecnologie, avente l'obiettivo di contribuire al miglioramento della tecnologia fotovoltaica attraverso approcci innovativi. Lo studio abbraccia diverse aree chiave, tra cui ampia attenzione è stata data all'esplorazione di materiali nuovi che possono essere integrati nella struttura delle celle solari, al fine di migliorarne le prestazioni garantendo al contempo la sostenibilità. La sezione iniziale offre una panoramica della storia e dell'evoluzione della tecnologia delle celle solari a base di silicio, evidenziandone il ruolo fondamentale nei sistemi fotovoltaici terrestri. La tesi esplora inoltre i design futuri delle celle, con un focus sulle possibilità di ottimizzazione dei materiali e delle tecnologie attuali. Uno degli obiettivi principali di questo lavoro è ridurre la dipendenza dall'indio negli elettrodi trasparenti delle celle solari. A questo scopo sono state esplorate diverse strategie. In primo luogo, è stato studiato il potenziale del drogaggio intrinseco negli ossidi metallici per sviluppare elettrodi trasparenti a partire da materiali binari, eliminando la necessità di aggiungere droganti metallici. Questo approccio potrebbe portare a soluzioni più sostenibili riguardo gli elettrodi utilizzati nei futuri dispositivi fotovoltaici. In secondo luogo, è stato esaminato lo zirconio come drogante alternativo per l'ossido di indio. L'ossido di indio drogato con zirconio (IZrO) ha mostrato eccellenti proprietà di conducibilità e prestazioni, anche a spessori ultra-sottili, consentendo una riduzione significativa dell'uso di indio fino al 75%. Sebbene l'IZrO sia un materiale promettente, ulteriori studi sono necessari per ottimizzarne completamente le proprietà ottiche ed elettriche per l'effettiva integrazione nelle diverse architetture di celle solari. È stato inoltre esaminato l'ossido di zinco drogato con boro (BZO) come possibile alternativa priva di indio per gli ossidi trasparenti conduttivi. Sebbene i film di BZO abbiano dimostrato una promettente trasparenza ottica, le loro proprietà elettriche sono risultate insufficienti per l'applicazione come TCO. Tuttavia, è stato proposto e testato un nuovo design che incorpora un sottile strato di BZO come strato trasportatore degli elettroni nella cella solare a perovskite. Questa modifica ha prodotto risultati incoraggianti, suggerendo che questo design possa avere un potenziale significativo per ulteriori sviluppi. Infine, la ricerca si è concentrata sull'ottimizzazione delle tecniche di taglio laser per le tecnologie a celle dimezzate, indagando un metodo semplice ma efficace per aumentare la potenza dei moduli fotovoltaici senza alterare l'architettura delle celle. Ottimizzando i parametri di taglio laser e analizzando il loro impatto sui danni alle celle solari, è stato possibile minimizzare le perdite di efficienza nelle celle bifacciali a eterogiunzione di silicio (SHJ). Sono state confrontate le prestazioni dei design a celle intere e dimezzate, identificando i fattori chiave che contribuiscono alla riduzione dell'efficienza e aprendo la strada a strategie di design migliorate. In conclusione, questa tesi apporta un contributo nello sviluppo di tecnologie fotovoltaiche efficienti, sostenibili ed economicamente vantaggiose, fornendo preziosi spunti riguardo materiali alternativi e processi innovativi che possono supportare la crescita del settore verso livelli di produzione su scala terawatt nei prossimi anni.