Il silicio subisce una deformazione

Le strutture vuote nel Si stirato offrono un'opportunità unica di sfruttare le loro insolite proprietà nelle applicazioni fotovoltaiche (FV). Mediante l'irradiazione con ioni di luce, il Si stirato, ottenuto mettendo degli strati di silicio-germanio (SiGe) e Si sopra un substrato di silicio, porta alla formazione di nanopunti e nanolacune. Le loro insolite proprietà elettroniche e ottiche non sono state finora studiate in modo sperimentale nelle configurazioni delle celle solari.

Il progetto NOVOSIP ("Nano-voids in strained silicon for plasmonics"), finanziato dall'UE, ha offerto una configurazione del dispositivo FV unica per studiare le strutture Si/SiGe-stirato che contengono lacune. Gli scienziati hanno cercato di mettere nanopunti e nanolacune in uno strato emettitore altamente drogato vicino alla giunzione p-n per estendere gli effetti di campo vicino alla regione di svuotamento. Questi effetti darebbero quindi luogo alla moltiplicazione dei vettori e aumenterebbero la diffusione della luce dovuta agli effetti di campo lontano, che sono entrambi promettenti per migliorare l'assorbimento della luce solare.

I ricercatori hanno usato diversi metodi per studiare le proprietà strutturali, ottiche ed elettroniche degli strati stirati che si formano periodicamente. Il piano era quello di usare queste scoperte per preparare delle strutture plasmoniche per dispositivi FV basati sul silicio, sensori di gas allo stato solido e dispositivi optoelettronici.

Mediante un'irradiazione di ioni ad alte temperature della struttura Si/SiSn/Si, gli scienziati hanno ottenuto delle nanolacune di forma sferica autoassemblate e precipitati stirati di stagno (Sn). Queste strutture sono molto promettenti per applicazioni optoelettroniche come ad esempio dispositivi che emettono luce o dispositivi FV.

Con l'impianto di ioni di carbonio e un trattamento termico, gli scienziati hanno osservato la formazione di nanofiocchi di carbonio nella struttura multistrato stirata di Si/SiGe/Si. La struttura cristallina del fiocco consente ai cristalli di assorbire tutta la luce, potenzialmente consentendo un tasso di conversione energetica molto elevato.

Il team ha sviluppato e ha proposto un nuovo concetto per l'autoassemblaggio di nanoshell e nanoparticelle metalliche nelle eterostrutture stirate Si/SiGe. Le nanoshell metalliche possono essere ulteriormente studiate nelle strutture delle celle solari per dimostrare gli effetti plasmonici. Infine, NOVOSIP ha dimostrato gli effetti di rilevazione del gas collegati alle strutture plasmoniche in uno strato nanocomposito basato su biossido di Sn (SnO2) con lacune.

Nella fabbricazione delle celle solari le principali sfide legate alla progettazione sono rappresentate da efficienze elevate e bassi costi. Grazie allo studio sperimentale delle strutture plasmoniche nel silicio stirato multistrato, NOVOSIP ha aperto la strada al miglioramento della raccolta della luce nelle celle solari.