Sputter-deposited Molybdenum Oxide as Hole-Selective Contact for Silicon Solar Cells [Ossido di Molibdeno depositato mediante Sputtering e sua Applicazione come Contatto Selettivo per Lacune in Celle Solari al Silicio]

Energy is an indispensable resource in modern society, with consumption expected to rise rapidly in the coming years. Currently, over 70% of global energy is derived from finite fossil fuels, leading to severe energy crises and escalating environmental degradation, including pollution, greenhouse gas emissions, and climate change. Addressing these challenges requires investment in sustainable, efficient, and economically viable alternative energy sources. Renewable energy, such as wind, solar, hydro, geothermal, and biomass, holds the potential to meet the world’s growing energy demands. By 2025, renewables are expected to generate more than one-third of global electricity, overtaking coal. Among renewables, solar energy is particularly promising due to its immense potential and widespread availability. However, advancing photovoltaic (PV) technologies requires overcoming performance limitations by improving solar cell (SC) efficiency through the optimization of limiting factors. This thesis aims to contribute to the development of more efficient silicon SCs by focusing on reducing recombination processes at the interfaces and promoting efficient carrier collection. A key focus is on integrating selective and passivating contacts that allow the transport of one type of carrier while blocking the other. Specifically, this work focuses on developing and implementation of "dopant-free" materials as hole-selective contacts in silicon heterojunction (SHJ) SCs, employing a deposition method fully compatible with existing fabrication processes. Molybdenum oxide (MoOx), due to its non-toxicity, abundance, and low-cost deposition methods, offers a promising alternative to the conventional p-doped amorphous silicon film, (p+)a-Si:H, currently used in SHJ-SCs. MoOx addresses several limitations, including parasitic absorption losses and the environmental impact associated with dangerous gases used in (p+)a-Si:H film production. As a result of this thesis, we propose sputter-deposited MoOx thin films as a suitable hole-selective and passivating contact for SHJ-SCs, contributing to the development of more sustainable and efficient next-generation SHJ-SCs. The thesis is structured as follows: Chapter I introduces the global energy landscape and the role of renewable energy, focusing on PV technology. It provides an overview of the main Si-based SCs architectures, describing the characteristics and roles of different components, with special attention to SHJ-SCs and the importance of selective and passivating contact, introducing recent and promising alternatives such as transition metal oxides (TMOs). Chapter II explores the versatility of the TMOs in energy devices and their role in PV technologies due to their unique electronic structure. A particular focus is given to their application as selective contact in SHJ SCs. Among TMOs, the promising role of Molybdenum oxide is explored. The chapter examines the advantages of implementing MoOx in SHJ-SCs, highlighting the recent challenges and the potential strategies to advance next-generation SHJ-SCs. Chapter III focuses on the stoichiometry control of sputtered-deposited MoOx thin films. It describes in detail the deposition method, the morphological, structural and chemical investigations of the deposited films, and the correlation between films properties with deposition parameters. In particular, the chapter demonstrates the strong correlation between film stoichiometry and deposition pressures, as well as between stoichiometry and optoelectronic properties. The effects of post-deposition treatments and the influence of a reactive growth atmosphere are also explored. The chapter highlight the potentiality of the sputtering technique for obtaining high-quality amorphous MoOx thin films with precise control over the O/Mo ratio, allowing modulation of its optoelectronic properties. Chapter IV presents the implementation of MoOx ultra-thin films as hole selective contact in SHJ-SCs, developed in collaboration with 3SUN/EGP. The chapter details the ultra-thin film deposition, the compositional and optical characterization, along with a careful attention on the Si/MoOx interface. The effectiveness of MoOx-based flat SHJ-SCs is evaluated through EQE measurements, demonstrating the viability of sputtering for implementing MoOx ultra-thin films as passivating and selective contacts in next-generation SHJ-SCs. Chapter V explores additional applications of MoOx in the framework of external collaborations. Preliminary results on implementation of sputter-deposited MoOx ultra-thin films on perovskite are presented. Additionally, the chapter reports research on MoOx in the form of nanowires, obtained through thermal evaporation and employed as catalyst for the oxygen evolution reaction in water-splitting applications.

Oggigiorno, l’energia rappresenta una risorsa indispensabile per la società moderna, con un consumo previsto in rapida crescita nei prossimi anni. Tuttavia, oltre il 70% dell'energia globale viene ancora prodotta da combustibili fossili non rinnovabili che hanno generato crisi energetiche e gravi impatti ambientali, come emissioni di gas serra e tangibili cambiamenti climatici. Per affrontare queste sfide, è essenziale investire in fonti energetiche alternative che siano sostenibili, efficienti ed economicamente vantaggiose. Tra le fonti rinnovabili, come eolico, idroelettrico, geotermico e solare, quest’ultimo si distingue per il suo enorme potenziale e la sua crescente diffusione globale. Si stima che, entro il 2025, le rinnovabili genereranno oltre un terzo dell'elettricità globale, superando il carbone. L'espansione del fotovoltaico (PV), resa possibile dalla continua riduzione dei costi, svolgerà un ruolo centrale in questa transizione. Tuttavia, per affermare il PV come principale fonte di energia, è necessario migliorare l’efficienza delle attuali celle solari attraverso l’ottimizzazione dei fattori limitanti. Questa tesi si propone di contribuire allo sviluppo di celle solari al silicio più efficienti, concentrandosi sulla riduzione dei processi di ricombinazione alle interfacce e sull’ottimizzazione della raccolta dei portatori di carica. Un approccio promettente consiste nell’integrazione di contatti selettivi e passivanti nella struttura delle celle, che favoriscano il flusso di un tipo di portatore di carica e ostacolino quello opposto. In particolare, questo lavoro esplora l’utilizzo di materiali " dopant-free" come contatti selettivi di lacune in celle solari ad etero giunzione in silicio (SHJ), impiegando un metodo di deposizione pienamente compatibile con i processi industriali esistenti. L'ossido di molibdeno (MoOx), grazie alla sua non tossicità, abbondanza e ai metodi di deposizione a basso costo, rappresenta una valida alternativa ai film convenzionali di silicio amorfo drogato p, (p+)a-Si:H, attualmente impiegati nelle tradizionali celle solari SHJ. Rispetto a quest’ultimo, l’MoOx riduce le perdite per assorbimento parassitario e i rischi ambientali derivanti dai gas pericolosi impiegati nella produzione dei film di (p+)a-Si:H. In questa tesi, proponiamo l’uso di film sottili di MoOx depositati tramite sputtering come contatti selettivi per lacune e passivanti, allo scopo di contribuire allo sviluppo di celle solari SHJ di nuova generazione più sostenibili ed efficienti. La tesi è articolata come segue: Il Capitolo I introduce il problema energetico globale, con un focus sulla transizione alle energie rinnovabili e sulla tecnologia PV. Viene fornita una panoramica delle principali architetture di celle solari al silicio, evidenziando l’importanza dei contatti selettivi e passivanti, e analizzando il potenziale degli ossidi di metalli di transizione (TMO). Il Capitolo II approfondisce le proprietà uniche dei TMO e il loro impiego nelle tecnologie PV, con particolare attenzione all’ossido di molibdeno. Vengono discusse le opportunità e le sfide associate all’uso del MoOx come contatto selettivo nelle celle SHJ, esplorando strategie per migliorarne l’efficacia. Il Capitolo III si concentra sul controllo della stechiometria nei film sottili di MoOx depositati tramite sputtering. Viene descritto il metodo di deposizione, insieme alla caratterizzazione morfologica, strutturale e chimica dei film depositati. Si evidenziano le correlazioni tra le proprietà dei film con i parametri di deposizione. In particolare, viene evidenziata una forte correlazione tra la stechiometria del film e le pressioni di deposizione, nonché tra la stechiometria e le proprietà opto-elettroniche. Sono inoltre esplorati gli effetti dei trattamenti post-deposizione e l'influenza di un'atmosfera di crescita reattiva. Il Capitolo dimostra il potenziale dello sputtering per ottenere film amorfi di alta qualità, con un controllo preciso del rapporto O/Mo. Il Capitolo IV illustra l'implementazione di film ultra-sottili di MoOx, ottenuti mediante sputtering, come contatti selettivi per lacune in celle SHJ, realizzate in collaborazione con 3SUN/EGP. Vengono descritti i processi di deposizione, la caratterizzazione composizionale e ottica, con particolare attenzione sull'interfaccia Si/MoOx. L'efficacia delle celle SHJ basate su MoOx è valutata attraverso misure EQE, dimostrando la fattibilità della tecnica per l’implementazione di film ultra-sottili di MoOx come contatti passivanti e selettivi. Il Capitolo V esplora ulteriori applicazioni del MoOx, nell’ambito di collaborazioni esterne. Vengono presentati risultati sull'implementazione di film ultra-sottili di MoOx depositati tramite sputtering su perovskite. Inoltre, il Capitolo riporta una ricerca sul MoOx in forma di nanofili, ottenuti tramite evaporazione termica, impiegati come catalizzatori per oxygen evolution reaction in applicazioni di water-splitting.