Investigation of sulfurization temperature effects on Cu2ZnSnS4 thin flims prepared by magnetron sputtering method on flexible titanium foil substrates for thin flim solar cells

Abstract

This thesis presents the effect of sulfurization temperature on Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films on flexible titanium (Ti) foil substrates. The CZTS films was produced by using a two-stage method. In the first step, the metallic precursor layers Cu/Sn/Zn/Substrate were deposited on Ti foil substrate by using DC magnetron sputtering method. In the second step, the deposited metal precursors were sulfurized in a graphite box under Argon (Ar) ambient inside a tubular furnace under a definite temperature. To understand the effects of temperature on the formation of the CZTS structure several analyses were performed. Our samples, each with a different sulfurization temperature; ranging from 530 to 580 oC, were carried out and the structural properties of the absorber layer was determined. XRD measurements showed a sharp and intense peak coming from the (112) planes which was a strong evidence for good crystallinity. The intensity of (112) plane became a sharp and intense with increasing sulfurization temperature. Raman spectroscopy of the sulfurized thin films revealed that, the kesterite structure CZTS thin film were obtained with increasing sulfurization temperature. Electron Dispersive Spectroscopy (EDS) was also used for the compositional analysis of the thin films. EDS analysis showed that the films were grown with a Cu-poor Zn-rich composition. From these analyses we conclude that no interface formation occurred between the substrate and the CZTS thin films, hence, a buffer layer was not required. It was also seen that Ti foil was suitable as substrate for the growth of CZTS thin films with desired properties. We also conclude that the sulfurization temperature plays a crucial role for producing good quality CZTS thin films on Ti foil substrate.

Bu tez çalışmasında, sülfürleme sıcaklığının esnek titanyum (Ti) folyo alttaşları üzerine büyütülen Cu2ZnSnS4 (CZTS) ince filmler üzerine etkisi incelendi. CZTS filmler iki aşamalı metot kullanılarak üretildi. İlk aşamada, metalik öncü katmanlar olan Cu/Sn/Zn/ Ti folyo alttaşı üzerine DC magnetron püskürtme metodu kullanılarak büyütüldü. İkinci aşamada, kaplanan metal öncü katmanlar grafit kutuda, boru şeklindeki fırın içerisinde, Argon (Ar) ortamında belirlenen sıcaklık altında sülfürlendi. Sıcaklığın CZTS yapısı oluşumundaki etkisinin anlaşılması için pek çok farklı analiz kullanıldı. Örneklerimiz, 530 ile 580 oC arasında değişen farklı sülfürleme sıcaklıklarına tabii tutuldu ve elde edilen her bir emici tabakanın yapısal özellikleri incelendi. XRD ölçümlerinde, yapının iyi bir kristal yapısına sahip olduğunu doğrulayan, (112) düzlemlerinden gelen keskin ve güçlü bir sinyal görüldü. Sülfürleme sıcaklığının artması ile (112) düzleminden gelen sinyalin güçlendiği görüldü. Sülfürlenen ince filmlerin Raman spektroskopisi sonuçları ise artan sülfürleme sıcaklığının artmasına bağlı olarak kesterite yapısındaki CZTS ince filmlerin üretildiğini gösterdi. İnce filmlerin kompozisyonlarının belirlenmesi için Elektron Dağılımlı Spektroskopi (EDS) ölçümleri yapıldı. EDS analizleri büyütülen filmlerin kompozisyonlarının Cu bakımında fakir,Zn bakımından zengin miktar içerdiğini gösterdi. Bu analizlerden yola çıkarak, CZTS ince filmi ile alttaş arasında bir arayüz oluşumu olmadığını, dolayısıyla, bir tampon katmanın gerekli olmadığını söyleyebiliriz. Ayrıca, istenen özelliklerde CZTS ince filmlerin üretilebilmesi için Ti folyo alttaşının uygun bir aday olduğu görüldü. Sonuç olarak, sülfürleme sıcaklığının, Ti folyo alttaş üzerinde yüksek kalitede CZTS ince filmlerin üretilmesinde önemli bir rol oynadığı gözlemlendi.