Synthesis and characterization of CZTS thin-film as absorber layer for solar cells = Güneş hücreleri için emici tabaka olarak CZTS ince filminin sentezi ve karakterizasyonu

Abstract

Farklı kalınlıktaki Cu2ZnSnS4 (CZTS) ince filmler, kimyasal sprey piroliz tekniği kullanılarak 350 °C sıcaklıkta tutulan cam altlıklar üzerine hazırlanmıştır. CZTS ile hazırlanan filmlerin yapısal, optik ve elektriksel özellikleri, X-ışını kırınımı (XRD), Raman spektroskopisi, Alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FESEM) ve UV-görünür spektrofotometri kullanılarak incelenmiştir. X-ışını kırınım sonuçları, hazırlanan filmlerin tetragonal tipte, kesterit fazında polikristal bir yapıya sahip olduğunu gösterdi. Kristallerin boyutu Scherer yöntemi kullanılarak hesaplandı ve kalınlıktaki artışla kristal boyutunun arttığı tespit edildi. Raman spektroskopisi, tüm numunelerde CZTS bileşiğinin ana pikleri olan 324, 338, 330, 325, 334 cm-1 değerlerini gösterdi ve tetragonal oluşumu doğruladı. Alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FESEM) sonuçları, hazırlanan filmlerin güzel ve homojen bir şekilde birbirine dolanmış ince dallar halinde oluştuğunu gösterdi. Optik özellikler UV-görünür spektrofotometri kullanılarak incelendi ve yasak enerji aralığı (Eg) değerleri, Tauc grafiği kullanılarak hesaplandı ve kalınlık artışıyla (1.72'den 1.56 eV'ye) düştüğü tespit edildi. Hazırlanan numunelerin yüksek soğurma katsayısına α>104 cm-1 sahip olduğu görüldü. Bu yüksek soğurma katsayısı güneş pili uygulamaları için gereklidir. Hall etkisi ölçümleri, hazırlanan filmlerin (p-tipi) olduğunu ve film kalınlığındaki artışla (0.59 μm - 3.3 μm) yüklü parçacıkların mobilitesinin 1.33 ten 30.5 𝑐𝑚2𝑉.𝑠⁄ ve iletkenliğinde 0.015 den 0.069 (Ω.cm)-1 arttığı gözlendi. (CZTS) film hazırlamak için, molar kütleli Bakır klorür (CuCl2) (134,45 g/mol), Çinko asetat dihidrat (C4H10O6Zn) (219,5 g/mol), Kalay (II) klorür (SnCl2) (189,6 g/mol) ve Kükürt kaynağı olarak tiyoüre (CH4N2S) (76.12g/mol), oda sıcaklığında saf su (H2O) ile Etanol (C2H6O) ile çözülmüş. Molar konsantrasyonlar şu şekilde kullanıldı, 0.2 molar bakır klorür, 0.1 molar çinko asetat dihidrat, 0.1 molar kalay (II) klorür ve 1 molar tiyoüre. Sülfür iyonlarının (tiyoüre) konsantrasyonu, filmin büyümesinin son reaksiyonu sırasında cam alt tabakaların ısınması nedeniyle büyük bir miktarı buharlaşacağından, birden çok kez iki katına çıkar, formül [Cu/(Zn+Sn)]=1 karşılar bileşik (CZTS) için denklik formülü. Nihai çözeltinin hacmi (50 ml) idi. Kimyasal sprey piroliz kullanılarak çözelti 350°C'de 10 saniye ısıtılan cam yüzeyler üzerine püskürtüldü ve daha sonra numuneler orijinal sıcaklığına dönene kadar 1 dakika bırakıldı, ardından filmin kalınlığına bağlı olarak birkaç kez püskürtmeye devam edildi hazırlıklı olmak Püskürtme işlemi sırasında numuneler hareket eder (döner) ve en iyi film homojenliğini elde etmek için püskürtme miktarını düzenler. Püskürtme işleminden sonra hazırlanan filmlerin kristal büyütme sürecini tamamlaması için numuneler elektrikli ısıtıcı üzerinde bırakılır. Daha sonra ani soğumanın hem filmlere hem de yüzeylere olumsuz etkisi olmasın diye kademeli olarak soğumaya bırakılır. Kimyasal sprey piroliz tekniği kullanılarak cam altlıklar üzerine farklı kalınlıklarda biriktirilen (CZTS) filmlerin yapısal, optik ve elektriksel ölçümlerinin sonuçları, bu tür malzemelerin davranışını açıklayan teorik ilkelere göre sunulacak ve analiz edilecektir. değişen kalınlığın şekillendirilmiş (CZTS) filmlerin fiziksel özellikleri üzerindeki etkisini bilmek için.

Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films were deposited on glass substrates at temperature 350°C using chemical spray pyrolysis technique. The structural, optical and electrical properties of the CZTS films were studied using X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Field emission scanning electron microscopy (FESEM), UV-visible spectrophotometry and Hall Effect measurements. The X-ray diffraction results showed that the prepared films have a polycrystalline structure of the tetragonal type, kesterite phase. The size of the crystals was calculated using Scherer's method and it was found that the crystal size increased with the increase of the thickness. Raman spectroscopy showed the main peak around (324, 338, 330, 325, 334 cm-1) for all samples, which confirms the formation of tetragonal (CZTS) compound. The results of the field emission scanning electron microscope (FESEM) showed that the prepared films were formed as beautifully and homogeneously intertwined twigs. The optical properties were studied using UV-visible spectrophotometry, and the optical energy gap values were calculated using the (Tauc plot) and it was found that it decreases from (1.72 to 1.56 eV) with the increase in thickness. High values of the absorption coefficient (α>104 cm-1) are obtained which is suitable for the solar cell applications. The measurements of Hall coefficients showed that the prepared films are p-type. As the thickness increased from 0.59 to 3.3 μm, the mobility of charged particles increased from 1.33 to 30.5 cm2V-1s-1, and the conductivity of CZTS samples increased from 0.015 to 0.069 (Ω.cm)-1.