X-ray photoelectron spectroscopy analysis of magnetron sputtered Cu2ZnSnS4 based thin film solar cells with CdS buffer layer

Abstract

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is a novel quaternary compound which contains Cu, Zn, Sn and S elements. It is a p-type semiconductor which has been taken attention in the last years as an absorber layer. Since it consists of abundant, low cost and non-toxic elements, it is one of the most promising candidate as an absorber layer for thin film photovoltaic (PV) application. Having high absorption coefficient, low bandgap value which is theoretically in desired range make this material attractive for solar cell application. In this thesis, CZTS absorber layers were grown using two stages which are the magnetron sputtering of metallic precursors, followed by a heat treatment under sulfur vapor atmosphere. Two types of CZTS were grown such as SLG/Mo/Cu (55nm)/Sn/Zn/Cu (120nm) and SLG/Mo/Cu (120nm)/Sn/Zn/Cu (55nm). For the same stacking order, the effect of Cu thickness sequentially grown with Sn layer on the film quality were investigated. The optical properties, microstructure, surface and bulk composition of CZTS films were investigated in detail. This study revealed a correlation between the CZTS stacking order having different thickness of Cu layer and the improvement of film quality, which was also confirmed by the photo-conversion efficiency of the fabricated devices. In this work, the other investigated layer is CdS which is an n-type semiconductor with bandgap energy of 2.4 eV. Since CdS has well lattice match with the heterojunction between CdS and CZTS, it is one of the most preferred material as a buffer layer for solar cells. In this work CdS buffer layers were deposited by chemical bath deposition technique. The optimization of CdS layers were occurred and optical, structural, bulk and surface compositions were investigated in detail. Finally, SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/AZO devices were fabricated. The effect of structure properties of CZTS films and the thickness of CdS buffer layer on efficiency of fabricated solar cells were investigated.

Cu2ZnSnS4 (CZTS), Cu, Zn, Sn ve S elementleri içeren yeni dörtlü bir bileşik olup son yıllarda soğurucu katman olarak dikkat çeken p-tipi yarıiletkendir. Bol, düşük maliyetli ve toksik olmayan elementlerden oluştuğu için ince film fotovoltaik (PV) uygulamalarda emici katman olarak en umut verici adaydır. Yüksek absorpsiyon katsayısına sahip olması, teorik olarak arzulanan aralıkta düşük band katsayısı değeri bu malzemeyi güneş pilleri uygulaması için çekici hale getirir. Bu çalışmada, CZTS soğurucu tabakalar, metalik öncüllerin magnetron saçtırma tekniği ile büyütülmesi ve ardından sülfür buharı altında tavlanmasıyla iki aşamalı olarak büyütülmüştür. SLG/Mo/Cu (55nm)/Sn/Zn/Cu (120nm) ve SLG/Mo/Cu (120nm)/Sn/Zn/Cu (55nm) sırasında iki tip CZTS soğurucu katman büyütülmüştür. Aynı istif sırası için, Sn katmanı ile ardışık olarak büyütülen Cu katman kalınlığının film kalitesi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. CZTS filmlerin optik özellikleri, mikroyapı, yüzey ve yığın kompozisyonu ayrıntılı olarak incelenmiştir. XPS analizi ile iki dizilimde büyütülen CZTS filmlerin elementel yüzey bileşimleri kıyaslanmıştır Bu çalışmada, farklı kalınlıklarda Cu tabakasına sahip olan CZTS istifleme sırası ile film kalitesinin iyileştirilmesi arasında bir ilişki olduğu gösterilmiş ve üretilen güneş hücrelerinin ışık-dönüştürme verimlilikleri ile doğrulanmıştır. Bu çalışmada, incelenen diğer katman, 2.4 eV'lik yasak enerji band aralığına sahip, n-tipi yarıiletken olan CdS'dir. CdS ile CZTS’nin oluşturdukları arayüzeyin iyi bir örgü eşleşmesine sahip olması nedeniyle, CdS güneş pilleri için bir tampon katmanı olarak en çok tercih edilen malzemelerden biridir. Bu çalışmada CdS tampon tabakaları kimyasal banyo tekniği ile kaplanmıştır. CdS katmanlarının optimizasyonu yapılarak optiksel ve yapısal özellikleri, yığın ve yüzey bileşimleri detaylı olarak incelenmiştir. Bu optimizasyonlar sonucunda SLG/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/AZO yapısında güneş pilleri üretilmiştir. CZTS filmlerin yapısal özelliklerinin ve CdS tampon tabakasının kalınlığının, büyütülen güneş pillerinin verimliliği üzerindeki etkisi araştırılmıştır.