1. Development of CZTSSe thin film solar cells with inclusion of selenium in the precursor stack
- Author
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Martinho, Filipe Mesquita Alves and Cunha, António F. da
- Subjects
Sulfurização ,Formação de bolhas ,Células fotovoltaicas ,Kesterite ,Gradação de composição ,Gradação de bandgap ,Engenharia física ,Crescimento e caracterização de filmes finos ,Filmes finos ,CZTSSe ,Células solares ,CZTS ,CZTSe - Abstract
Mestrado em Engenharia Física Os compostos designados como CZTS (Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4 e Cu2ZnSn(Sx, Se1-x)4) constituem atualmente uma das maiores promessas para produção de células solar à escala de TW, devido ao uso de elementos abundantes e ambientalmente benignos, ao contrário dos compostos equivalentes no sistema CIGS. Contudo, ainda é necessário ultrapassar algumas barreiras de modo a atingir níveis de performance necessários para o desenvolvimento à escala industrial desta tecnologia. Uma tendência de investigação promissora consiste em introduzir uma gradação vertical no bandgap, ao longo da espessura da camada absorvente, através da variação do rácio S/(S + Se). Neste trabalho, camadas absorventes à base de CZTSxSe1-X foram produzidas pelo método de deposição de precursores empilhados por pulverização catódica seguido de sulfurização em H2S, em que o elemento Se é introduzido nos precursores por evaporação térmica. Duas configurações foram testadas: uma com a sequência de empilhamento ZnS/SnS2/Se/Cu repetida por vários períodos, e outra em que uma única camada de Se é introduzida no topo da sequência total de precursores. Usando este método, foram atingidos rácios S/(S + Se) aproximados desde 1 até perto de 0.5. A gradação da composição em profundidade foi parcialmente atingida, como é revelado através de Radiofrequency Pulsed Glow Discharge Time-of-Flight Mass Spectrometry (rf-PGDTOFMS). As camadas absorventes resultantes foram usadas para fabricar células com a estrutura SLG/Mo/CZTSSe/CdS/i-ZnO/ITO. A eficiência máxima atingida nos dispositivos fabricados foi 1.3%, numa camada com um rácio S/(S + Se) aproximado de 0.91, produzida a partir de precursores com Se no interior dos precursores empilhados. Microscopia de Eletrões Secundários (SEM), Espetroscopia de Dispersão de Energia (EDS), espetroscopia Raman e rf-PGD-TOFMS foram usados para caraterizar as amostras produzidas. As camadas absorventes produzidas, incluindo as com maior eficiência fotovoltaica, exibiram bolhas, rebentadas ou não rebentadas, e que rebentavam superficialmente ou rebentavam expondo o contacto inferior completamente, dependendo das condições de processamento. Este fenómeno foi estudado em detalhe, e novas observações não reportadas na literatura até ao momento foram encontradas, apontando para a possibilidade de controlar a formação de bolhas através do ajuste do perfil de sulfurização. Baseado nestes resultados, sugere-se uma revisão dos modelos propostos na literatura, e propõe-se um novo modelo baseado na volatilização de reagentes. CZTS-based compounds (Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4 eCu2ZnSn(Sx, Se1-x)4) have become one of the major contenders for solar cell production at the TW level owing to the use of earth-abundant and environmentally benign elements, unlike their CIGS counterparts. However, some hurdles still need to be overcome in order to achieve performance levels necessary for industrial scalability. One promising trend of investigation consists in introducing a vertical bandgap grading along the thickness of the absorber by means of a variation of the S/(S + Se) ratio. In this work, CZTSxSe1-X absorbers were produced by the standard two-step process of sputtering deposition of a precursor stack followed by annealing in H2S, where the element Se was added in the precursor deposition stage using thermal evaporation. Two configurations were tested: one with the stacking sequence ZnS/SnS2/Se/Cu repeated for various periods, and another configuration where a single Se layer is evaporated on top of the multi-period precursor stack. Using this method, average S/(S + Se) ratios from 1 to close to 0.5 were demonstrated. Composition grading in depth was partially achieved as shown by Radiofrequency Pulsed Glow Discharge Time-of-Flight Mass Spectrometry (rf-PGD-TOFMS). The resulting absorbers were used to fabricate solar cells with the structure SLG/Mo/CZTSSe/CdS/i-ZnO/ITO. The highest efficiency achieved in the devices produced was 1.3%, using an absorber with an average S/(S + Se) of 0.91, produced from precursors with Se within the stack. Secondary Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy and rf-PGD-TOFMS was used to characterize the absorbers produced. The absorbers produced, including the highest performing devices, exhibited blisters, which would either burst or not burst, and burst either superficially or completely exposing the back contact, depending on processing conditions. This phenomenon was studied in detail, and new evidence was found, which has not been considered in literature so far, pointing to the possibility of significantly controlling blister formation by appropriately tuning the sulfurization profile. Based on these results, a review of the models proposed in literature to explain blister formation in CZTS is suggested, and a new model based on the volatilization of reactants is proposed.
- Published
- 2017