Efficiency studies of Cu2ZnSnS2 thin film solar cell

Abstract

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is a promising candidate as an absorber layer for thin film solar cells due to not only its low cost but also nontoxic properties contrary to alternative materials such as CdTe and Cu(In,Ge)Se2 (CIGS). Recently, CZTS and similar chalcogenides have attracted remarkable attention because of their suitable properties. In my thesis; I studied the efficiency of Cu2ZnSnS4 thin film solar cells for various stoichiometric cases. Besides, the effect of back contact, buffer layer thickness and sulfurization time were investigated. CZTS thin films were fabricated by DC magnetron sputtering method on Molybdenum (Mo) coated Soda Lime Glass (SLG) and Ti foil substrates. Cu, Sn, Zn, Cu layers were, respectively, deposited on the substrates, and then sulfurization process was followed as the second step in the growth process to obtain a desirable CZTS formation. The as grown CZTS structure was investigated using Raman and X-Ray Diffraction (XRD) spectroscopies. Scanning electron microscopy (SEM) was used to investigate the surface morphology of the films. Energy dispersive spectroscopy (EDS) was used to define the chemical structure of the surface of the films. Next, a CdS buffer layer was deposited on CZTS absorber layer using CBD method at 85oC for varying times (60, 75 and 90 min). Then, ZnO and Al doped ZnO (AZO) layers were deposited on CdS. J-V curves were obtained for SLG/Mo/CZTS/CdS/ZnO/AZO solar cell structure. The photovoltaic characteristic of solar cells was studied and their dependence on CdS deposition time were found. Among all the device we produced, the highest efficiency was obtained for the device with the lowest CdS deposition time. In addition; effect of sulfurization time on the solar cell conversion efficiency was studied.

Cu2ZnSnS4 (CZTS) sadece ucuz maliyetli olması nedeniyle değil aynı zamanda CdTe ve Cu(In,Ge)Se2 (CIGS) ile karşılaştırıldığında zehirli olmaması dolayısıyla ince film güneş hücrelerinde kullanılan soğurucu katman tabakası için ümit vadeden bir adaydır. Son zamanlarda, CZTS ve benzer dörtlü bileşikler uygun özellikleri bakımından dikkat çekmektedir. Bu tezde; çeşitli stokiometrik durumlar için Cu2ZnSnS4 ince film güneş pillerinin verimlilik çalışmalarını inceledik. Ayrıca, arka kontak, tampon tabaka kalınlığı ve sülfürizasyon süresinin etkisi araştırıldı. CZTS ince filmleri, Molibden (Mo) kaplı cam alttaş üzerine ve Titanyum (Ti) folyo üzerine DC magnetron saçtırma yöntemi ile üretilmiştir. Cu, Sn, Zn, Cu tabakaları sırasıyla alttaş üzerine biriktirilmiştir ve bunu CZTS yapısına ulaşmak için ikinci adım olarak sülfürleme süreci takip etmiştir. Büyütülen CZTS yapısı Raman ve X-Ray Saçtırma (XRD) analizi kullanılarak incelenmiştir. Yüzey yapısının incelenmesi için taramalı elektron mikroskopu (SEM) kullanılmıştır. Dahası, enerji dağıtıcı spektroskopisi (EDS) kullanılarak filmlerin yüzeylerinin kimyasal yapısı tanımlanmıştır. Mo kaplı camın alttaş olarak kullanılmasıyla devam edilen çalışmada, CdS tampon katmanı farklı zamanlarda (60,75 ve 90 dak) kimyasal banyo biriktirme metoduyla 85 oC’de CZTS soğurucu tabaka üzerine biriktirilmiştir. Sonrasında, güneş hücresi aygıtını tamamlamak amacıyla, ZnO ve Al katkılı ZnO (AZO) tabakaları CdS katmanı üzerine biriktirilmiştir. SLG/Mo/CZTS/CdS/ZnO/AZO güneş hücresi yapısı için J-V eğrileri saptanmıştır. Güneş hücrelerinin fotovoltaik özelliği incelenmiş ve CdS birikim süresine bağlılığı bulunmuştur. En yüksek verimlilik CdS'nin en düşük biriktirme süresi için elde edilmiştir. Buna ek olarak; güneş hücresi verimi üzerinde sülfürleme süresinin etkisi araştırılmıştır.