Silicio amorfo - informazioni

Il silicio amorfo (a-Si) è una forma allotropica non cristallina di Silicio. 
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Allotropia: 
proprietà di una sostanza di esistere in forme diverse specificatamente alla struttura del legame fisico esistente tra atomi dello stesso tipo (silicio cristallino,amorfo).
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Come si forma il Silicio amorfo?

Gli atomi di silicio hanno 4 elettroni di valenza, e tendono a formare legami covalenti di tipo tetraedrico legandosi con altri quattro atomi di silicio confinanti; nella formazione di silicio amorfo, diversi atomi iniziano a legarsi con i confinanti e, quando un insieme di atomi lega con altri insiemi di atomi venutesi a formare nel contempo, sulla superficie di questi nuovi gruppi di insiemi di atomi, resteranno alcuni legami disponibili, questi elettroni di valenza non hanno possibilità di legarsi ad altri elettroni di valenza a causa della natura disordinata del materiale (Silicio amorfo) che si sta venendo a formare.

Tali legami disponibili sono effettivamente dei difetti (da qui il nome amorfo) nella costituzione della struttura tetraedrica, e lasciano, a livello microscopico, delle buche (non intese nel senso di lacune) nel materiale e quindi si genera un reticolo disordinato, che comprometterà in parte, il rendimento della cella fotovoltaica che si verrà a creare, oltre a ridurne la densità atomica (ma questo fatto è molto meno rilevante).

Com'è costituito un modulo in Silicio amorfo?

Il modulo in silicio amorfo ha avuto una continua evoluzione nel corso degli anni, passando dalla copia scadente(+ economica) del modulo in silicio cristallino, ad un vero e proprio prodotto con caratteristiche che gli permettono di concorrere ai suoi "cugini cristallini".

Il modulo in silicio cristallino si presenta sul mercato odierno principalmente come modulo a film sottile, con colorazione omogenea tendente al nero, o semitrasparente, uno spessore complessivo di pochi millimetri, e con le qualità di essere molto leggero e flessibile. 

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Film sottile: 
materiale con uno spessore compreso tra alcune frazioni di nanometri ad alcuni micron.
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Il tipico modulo in silicio amorfo viene costituito colando strati di diverso materiale su un supporto plastico o di vetro:

-Il primo strato che che viene colato sul vetro è costituito da SnO2, materiale che lascia passare la radiazione solare, e su questo viene posto il primo contatto;

-Il secondo strato è lo quello positivo(+) formato da una lega di silicio amorfo-carbonio ed ha uno spessore nell'ordine dei nanometri, tale lega viene drogata al boro, il carbonio ne aumenta la trasparenza, come verrà spiegato nel seguito del capitolo;

-Il terzo strato è formato da silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), l'idrogeno ha l'effetto di aumentare l'efficienza della cella;

-Il quarto strato è lo strato negativo(-) e viene drogato al fosforo;

-Il quinto strato è formato da ZnO e funge sia da collettore di cariche che da riflettore posteriore con la funzione di recuperare parte della radiazione, su questo strato viene posto il secondo contatto in alluminio(Al) o in argento (Ag).

- il sesto ed ultimo strato serve per ridurre la riflettanza tra aria e verto del modulo ed è costituito da un leggero strato di fluoruro di magnesio (MgF2).

Silicio amorfo idrogenato (a-Si:H): 

Per migliorare notevolmente la struttura del silicio amorfo e di conseguenza il rendimento della futura cella fotovoltaica, esiste una tecnica che rende più ordinato il suo reticolo. Tale tecnica, detta passivazione, consiste nel legare gli elettroni di valenza degli atomi di silicio rimasti disponibili, con atomi di idrogeno, riducendo di parecchi ordini di grandezza il numero di legami ancora liberi, e quindi riducendo il numero di difetti della struttura del silicio a una quantità sufficientemente piccola da essere ininfluente, in termini di efficienza, al suo futuro impiego da cella fotovoltaica.

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Passivazione: 

tecnica che consiste nella formazione di uno strato ossidato che aderisce perfettamente sulla superficie del materiale a contatto con l'aria e che ne impedisce una successiva ossidazione, ostacolando al tempo stesso l'ulteriore propagarsi dello strato di ossido.

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Sembrerebbe si sia giunti ad un'ottima soluzione, visto:
- i bassi costi per la realizzazione di lotti di materiale di silicio amorfo;
- la passivazione per rendere il silicio amorfo efficientemente simile al silicio cristallino;

Purtroppo il silicio amorfo idrogenato presenta il difetto di essere sensibile alla luce, e una volta sottoposto a questa, è soggetto a una repentina degradazione di fotoconducibilità e di conduzione spettrale (effetto Staebler-Wronski). Tutto ciò determina una continua riduzione del rendimento della cella fotovoltaica, dichiarata dai produttori pari a circa il 10% nelle prime 300-400 ore di esposizione. 

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L'effetto Staebler-Wronski:   
consiste nella riduzione della conducibilità di buio e della fotoconducibilità spettrale della superficie di una cella in silicio amorfo, dopo che in questa si sono create coppie elettrone-lacuna dovute all'irradiazione solare.

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Carburo di silicio amorfo (a-Si1-xCx:H): 

Il Carburo di silicio amorfo è costituito da Leghe amorfe di carbonio e silicio.  Il principale vantaggio di queste leghe è l’aumento del gap tra banda di conduzione e banda di valenza in proporzione alla concentrazione del carbonio nella lega, a questo aumento consegue un aumento dell’efficienza del pannello fotovoltaico realizzato con questo materiale.  Il secondo vantaggio è che i film sottili realizzati, sono semitrasparenti o trasparenti alla luce visibile, e quindi possono essere utilizzati per maggiori applicazioni o in svariati posti.  Il punto a sfavore della lega tra carbonio e silicio, è che le proprietà elettroniche sono inversamente proporzionali alla quantità di carbonio presente nella lega.

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