Thin films of Cu, In and Sb chalcogenides as photovoltaic absorbers

Many different photovoltaic technologies are being developed for large-scale solar energy conversion such as crystalline silicon solar cells, thin film solar cells based on a-Si:H, CIGS and CdTe. As the demand for photovoltaics rapidly increases, there is a pressing need for the identification of new visible light absorbing materials for thin-film solar cells. Nowadays there are a wide range of earth-abundant absorber materials that have been studied around the world by different research groups. The current thin film photovoltaic market is dominated by technologies based on the use of CdTe and CIGS, these solar cells have been made with laboratory efficiencies up to 19.6% and 20.8% respectively. However, the scarcity and high cost of In, Ga and Te can limit in the long-term the production in large scale of photovoltaic devices. On the other hand, quaternary CZTSSe which contain abundant and inexpensive elements like Cu, Zn, Sn, S and Se has been a potential candidate for PV technology having solar cell efficiency up to 12.6%, however, there are still some challenges that must be accomplished for this material. Therefore, it is evident the need to find the alternative inexpensive and earth abundant materials for thin film solar cells. One of these alternatives is copper antimony sulfide(CuSbS2) which contains abundant and non-toxic elements which has a direct optical band gap of 1.5 eV, the optimum value for an absorber material in solar cells, suggesting this material as one among the new photovoltaic materials. This thesis work focuses on the preparation and characterization of In6Se7, CuSbS2 and CuSb(S1-xSex)2 thin films for their application as absorber material in photovoltaic structures using two stage process by the combination of chemical bath deposition and thermal evaporation.

Síntesis y caracterización de películas delgadas del sistema CuₓSnᵧSz

Recientemente, debido al alto consumo energético, la investigación de nuevos materiales semiconductores de bajo costo y no tóxicos para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos ha sido de gran interés. En el presente proyecto se sintetizaron y caracterizaron películas delgadas de Cu2SnS3 y Cu4SnS4, obtenidas mediante la combinación de las técnicas de depósito por baño químico y evaporación térmica. Se obtuvieron películas delgadas de SnS de estructura ortorrómbica de 350 nm de espesor mediante baño químico como películas precursoras. Se depositaron capas de Cu (30, 50, 75 y 150nm) mediante evaporación térmica. Calentando las muestras de SnS con capas de Cu evaporado en presencia de azufre elemental (sulfurización) a 400 oC (10 oC/min) se promovió la formación de las fases ternarias Cu2SnS3 y Cu4SnS4. Los resultados de difracción de rayos-X indicaron que para el caso de las muestras con poca cantidad de Cu (30 nm), la fase binaria secundaria (SnS2) se forma junto con la fase ternaria Cu2SnS3-cúbica. Con 75nm de Cu (400 oC) solamente la fase ternaria Cu2SnS3-tetragonal está presente, y con 150 nm de Cu (400 ̊C) la fase secundaria se forma (Cu7S5). Al incrementar la temperatura de sulfurización a 450 ̊C para la condición de 150 nm de Cu, se obtiene la formación de la fase ternaria Cu4SnS4-ortorrómbica. Las propiedades ópticas para la fase Cu2SnS3-tetragonal con un espesor de 480 nm indicaron que esta presenta una transición óptica directa con brecha de energía en el rango 0.96 eV. La fase Cu4SnS4-ortorrómbica con un espesor de 760 nm, presentó una transición óptica indirecta con una brecha de energía alrededor de 0.5 eV. Además, ambas fases presentaron coeficientes de absorción óptica superiores a 104 cm-1 en el rango visible (1.6 - 3.3 eV). Las muestras no presentaron fotorrespuesta. La fase Cu2SnS3-tetragonal, mostró una conductividad eléctrica a temperatura ambiente de 17 Ω-1 cm-1 (tipo-p), con una movilidad de huecos de 3.62 cm2/V s y una concentración de huecos de 1019 cm-3, mientras que para la fase Cu4SnS4-ortorrómbico, la conductividad fue de 11 Ω-1 cm-1 (tipo-p), con una movilidad y concentración de huecos de 3.75 cm2/V s y 1019 cm-3, respectivamente.