Metal deposition using Ionic liquids

There is an interest to create zinc/tin alloys to replace cadmium as a corrosion protective coating material. Existing aqueous electroplating systems for these alloys are commercially available but have several limitations. Dangerous and highly toxic complexing agents are uses e.g. cyanides. To overcome these problems, ionic liquids could provide a solution to obtain an alloy containing 20 to 30% of zinc. Ionic liquids (IL’s) often have wider electrochemical windows which allow the deposition of e.g. refractive metals that can not be deposited from aqueous solutions. In IL’s it is often not necessary to add complexing agents. The Zn/Sn alloy deposition from IL’s is therefore a promising application for the plating industry. Nevertheless, there are some issues with this alternative for aqueous systems. The degradation of the organic components, the control of the concentration of two metals and the risk of a two phase deposition instead of an alloy had to be overcome first. It is the main purpose of this thesis to obtain a Zn/Sn alloy with 20% zinc using IL’s as an electrolyte. First a separate study was performed on both the zinc and the tin deposition. Afterwards, an attempt to deposit a Zn/Sn alloy was made. An introduction to a study about the electrodeposition of refractive metals concludes this work. It initiated the research for oxygen-free IL’s to deposit molybdenum or tungsten. Several parameters (temperature, metal source and concentration, organic complexing agents,…) were optimized for both the zinc, tin and zinc/tin deposition. Experiments were performed both in a parallel plate cell and a Hull cell, so as to investigate the effect of current density as well. Ethaline200 was selected as electrolyte. As substrate, brass and iron were selected, while as anode a plate of the metal to deposit was chosen, tin for the alloy. The best efficiencies were always obtained on brass; however the iron substrate resulted in the best depositions. A concentration of 0.27M ZnCl2, 0.07M SnCl2 with 0.015M of K3-HEDTA as complexant resulted in a deposition containing the desired alloy with the amount of 20% zinc and 80% tin with good appearance. Refractory metals as molybdenum and tungsten cannot be electrodeposited from aqueous solutions without forming a co-deposition with Ni, Co or Fe. Here, IL’s could again provide a solution. A first requirement is the dissolution of a metal source. MoO3 could be suitable, however there are doubts about using oxides. Oxygen-free IL’s were sought for. A first attempt was the combination of ZnCl2 with chlormequat (CCC), which gave liquids below 150°C in molar ratios of 2 : 1 and 3 : 1. Unfortuna tely, MoO3 didn’t dissolve in these IL’s. Another route to design oxygen-free IL’s was the synthesis of quaternary ammonium salts. None of the methods used, proved viable as reaction time was long and resulted in very low yields. Therefore, no sufficient quantities were obtained to perform the possible electrochemical behavior of refractive metals.

Optimização do tratamento por lamas activadas do efluente líquido da Mundotêxtil

A Mundotêxtil foi fundada em 1975 tendo iniciado a sua actividade na área comercial de produtos têxteis. Actualmente é o maior produtor nacional de atoalhados de felpo e emprega 575 colaboradores. Como resultado do seu crescimento e sobretudo da actividade de tingimento de fio e felpo, as necessidades de água são consideráveis e o volume de efluentes gerados nos processos industriais é cada vez maior a empresa avançou com a construção de uma estação de tratamento por lamas activadas, colocando-a em funcionamento em Setembro de 2004. Inicialmente surgiram dificuldades para a remoção da cor e da concentração da Carência Química de Oxigénio (CQO) de modo a cumprir os limites máximos de emissão permitidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98, de 1 de Agosto. Com a descarga de parte dos efluentes no SIDVA e a utilização de um coagulante adicionado ao reactor o tratamento passou a apresentar melhores resultados. O intuito deste trabalho é o de apresentar soluções de modo a optimizar o funcionamento do tratamento biológico da Mundotêxtil. A optimização pode começar na concepção dos produtos, pode incidir no processo de fabrico para além de poder ser efectuada no seio da estação de tratamento biológico. Foi efectuado um estudo do tratamento biológico por lamas activadas no Laboratório de Tecnologia Química Profª Doutora Lída de Vasconcelos, laboratório tecnológico do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP) que decorreu nos meses de Maio, Junho e Julho de 2010. O estudo laboratorial foi efectuado para três situações distintas: 1) tratamento do efluente bruto sem qualquer tipo de pré-tratamento (ensaios 1 a 3); 2) tratamento do efluente bruto submetido a pré-tratamento com coagulante Ambifloc BIO MD (ensaios 4 e 5) e 3) tratamento com adição de fungos ao tanque de arejamento (ensaio 6). Foram utilizadas duas instalações de tratamento alimentadas a partir do mesmo tanque de alimentação. Os dois sistemas eram idênticos, diferiram nos caudais de alimentação de efluente que foram alterados ao longo do estudo. O efluente a tratar foi fornecido pela empresa Mundotêxtil, sendo recolhido por diversas vezes ao longo dos ensaios. Este efluente foi retirado após o pré-tratamento da empresa, ou seja este efluente é o mesmo que alimenta o tratamento biológico da Mundotêxtil. Devido a este facto o efluente usado no estudo laboratorial teve uma variabilidade no período em que decorreu o estudo, nomeadamente em termos de concentração de CQO e cor. A relação entre a Carência Bioquímica (CBO5) e a CQO situouse entre 0,47 e 0,63 o que traduz que está dentro dos valores típicos para um efluente têxtil. Os melhores resultados globais de remoção de CQO foram obtidos no ensaio 5 e estiveram compreendidos entre 73,2% e 77,5% para o ensaio 5.1 e entre 62,9 e 73,2% para o ensaio 5.2. Neste ensaio foi utilizado o coagulante. Todos os valores de concentração de CQO obtidos nos efluentes dos decantadores para os ensaios 2, 5 e 6 são inferiores aos valores limite de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e o Decreto-Lei 236/98. Os valores de concentração de Sólidos Suspensos Totais (SST), pH, fósforo, CBO5 e cor nos decantadores cumpriram os limites de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98 em todos os ensaios. Os parâmetros cinéticos obtidos para os ensaios com descorante são os que melhor se ajustam ao projecto de uma instalação de tratamento biológico por lamas activadas do efluente da Mundotêxtil. Os valores obtidos, após ajuste, são os seguintes: k=0,015 L/(mgSSV*d); Sn=12 mg/L; a=0,7982 kgO2/kgCBO5; b=0,0233 [kgO2/(kgSSV*d); y=0,2253 kgSSV/kgCBO5; kd=0,0036 kgSSV/(kgSSV*d. Com base nos parâmetros cinéticos obtiveram-se os seguintes resultados para o projecto de uma estação de tratamento biológico por lamas activadas: · Tempo de retenção hidráulica no reactor de 1,79 d, · Volume do reactor igual a 3643 m3 · Consumo de oxigénio no reactor de 604 kg/d · Razão de recirculação igual a 0,8 · Volume total do decantador secundário igual a 540 m3 · Diâmetro do decantador secundário igual a 15 m A quantidade de oxigénio necessário é baixa e o valor mais adequado deverá ser da ordem de 1200 kg/d. Também foi efectuada uma análise aos produtos químicos consumidos pela empresa na área das tinturarias com a finalidade de identificar as substâncias com uma maior influência potencial no funcionamento da Estação de Tratamento Biológico. O encolante CB, Cera Têxtil P Líquida, Perfemina P-12, Meropan DPE-P, Meropan BRE-P, Indimina STS e Benzym TEC são os produtos químicos que têm uma influência potencial mais significativa na qualidade dos efluentes. Devido ao facto das temperaturas do efluente alimentado ao tratamento biológico da Mundotêxtil oscilarem entre 35 ºC e 43ºC efectuou-se um estudo às necessidades de água quente das tinturarias e por outro lado à capacidade de aquecimento dos efluentes disponíveis. Actualmente a racionalização dos consumos de água é cada vez mais premente, por isso também é apresentado neste trabalho um estudo para a substituição das máquinas convencionais das tinturarias com uma relação de banho 1:10 por máquinas de banho curto (1:6,5). Verifica-se a redução de consumos de 40% de água, 52% de energia eléctrica, 35% de produtos químicos, 51% das necessidades de vapor e por consequência um aumento da produtividade. A empresa pode reduzir os consumos de água em cerca de 280.000 m3/ano. A utilização do pré-tratamento com o coagulante permitirá baixar a concentração da CQO e reduzir a cor à entrada do reactor tratamento biológico. Deste modo é possível manter um tratamento eficiente à saída do tratamento biológico nas situações de descarga de cores carregadas e carga orgânica elevada. Com este conjunto de soluções, quer sejam aplicadas na totalidade ou não, a empresa Mundotêxtil pode enfrentar o futuro com mais confiança podendo estar preparada para fazer face à escassez de água e custos cada vez maiores da energia. Por outro lado pode tratar os seus efluentes a custos menores. A substituição das máquinas de tingimento por máquinas com relação de banho mais baixa (banho curto) implica investimentos elevados mas estes investimentos são necessários não só por motivos ambientais mas também devido à grande competitividade dos mercados.

Desenvolvimento de um sensor óptico para determinação de Norfloxacina

A presente dissertação descreve o desenvolvimento e a caracterização de sensores ópticos com base em membranas de poli(cloreto de vinilo), PVC, para determinação de Norfloxacina em amostras do sector da aquacultura. Estes sensores basearam-se na reacção colorimétrica entre um metal imobilizado em PVC e a Norfloxacina. O metal foi escolhido com base em ensaios prévios de reacção colorimétrica entre a Norfloxacina e várias espécies metálicas, nomeadamente, Fe(III), Al(III), Pb(II), Aluminon, Mo(II), Mn(II), Ni(II), Cu(II), Co(II), Sn(II) e V(V). A reacção mais intensa foi obtida com o Fe(III). Neste sentido, numa primeira fase foram desenvolvidos sensores baseados em Fe(III). O efeito de alguns parâmetros experimentais na resposta desses sensores foi avaliado de modo univariado. Incluem-se aqui o efeito do pH, avaliado entre 2,00 e 6,00, e o da concentração de Fe(III), variada entre cerca de 1,00x10-5 M e 2,00x10-4 M. Os melhores valores foram obtidos a pH 3, para o qual se verificou um comportamento linear entre cerca de 1,00x10-5 M e 1,70x10-4 M de Fe(III). Utilizando as condições seleccionadas anteriormente, procedeu-se à caracterização do complexo sob ponto de vista químico. Os valores obtidos apontaram para a necessidade de um excesso de Fe(III) de, pelo menos, 10 vezes, no sentido de garantir a máxima extensão de complexação. O complexo referido apresentou, nestas condições, um comportamento linear ao longo do intervalo de concentrações de cerca de 7,00x10-5 M a 7,00x10-4 M em NOR. O complexo formado foi estável ao longo de 90 minutos. As condições óptimas para análise desse complexo numa superfície sólida foram obtidas após avaliação do efeito da quantidade de Fe(III) e do tipo e quantidade de solvente mediador (o-nitrofenil octil éter, di-n-octilftalato, dibutilftalato, bis(etilhexil)sebacato, bis(etilhexil)ftalato). O bis(etilhexil)sebacato foi o solvente mediador escolhido e a relação de quantidade entre o PVC e o solvente mediador foi igual a 1:2. O procedimento de preparação do sensor sólido e subsequente optimização foi aplicado a outras espécies metálicas, para além do Fe(III), tais como, Cu(II), Mn(II) e aluminon. A conjugação de todos estes metais permitiu desenvolver um array de sensores para despistagem de Norfloxacina em águas de aquacultura. Algumas membranas sensoras foram aplicadas com sucesso no controlo de Norfloxacina em amostras de águas ambientais dopadas. Os resultados obtidos com membranas de Fe(III) e Cu(II) foram exactos, tendo-se registado valores de concentração próximos dos reais. O método proposto permitiu, por isso, a despistagem rápida e eficaz da presença de um antibiótico em águas ambientais, permitindo ainda o seu doseamento a um baixo custo. Numa perspectiva de rotina, e tendo em vista a despistagem deste antibiótico, este método revelou-se mais rápido e mais barato do que os demais métodos descritos na literatura para este efeito.

Monitorização do adoçante ciclamato de sódio através de sensor óptico

O presente trabalho pretendeu desenvolver e testar um sensor óptico para detectar ciclamato de sódio, um adoçante artificial utilizado nas bebidas em geral. A primeira abordagem neste sentido baseou-se na preparação de um sensor óptico através da formação de complexos corados entre o ciclamato e várias espécies metálicas, nomeadamente Hg(II), Ba(II), Fe(II), Ag(II), Pb(II), Cd(II), Mn (II), Ni(II), Cu(II), Co(II), Sn(II) e Mg(II). Perante a ausência de resultados satisfatórios optou-se por explorar a acção do ciclamato de sódio na transferência/partilha de um corante entre duas fases líquidas imiscíveis. As fases líquidas utilizadas foram a água e o clorofórmio. Testaram-se várias famílias de corantes mas só uma classe se mostrou com as características apropriadas para o objectivo pretendido. Dentro dessa família de corantes, seleccionou-se aquele que, à partida, garantiu o melhor desempenho. O sensor foi testado em diferentes condições de pH e também na presença de potenciais interferentes de forma a estabelecer as melhores condições de utilização. O método mostrou-se bastante simples de executar, rápido na obtenção de resultados e com boas características para ser avaliado visualmente, mas sempre de acordo com os critérios de objectividade que um trabalho deste tipo requer. Além o disso permitiu ser calibrado de uma forma rápida e simples, características essenciais para a aplicação deste método na despistagem de ciclamato em análises de rotina. O método desenvolvido foi ainda aplicado à análise de vinho dopado com diferentes concentrações de ciclamato de sódio. Destes testes verificou-se a necessidade de optimização do método através da introdução de outras substâncias na fase não aquosa diminuindo a vulnerabilidade do sensor a outros interferentes. Como conclusão, o método correspondeu às expectativas, mostrando-se viável para aplicação à análise de vinhos, ainda com uma margem significativa de desenvolvimento no sentido de o tornar mais fiável e preciso.

Thermodynamic pathway for the formation of SnSe and SnSe2 polycrystalline thin films by selenization of metal precursors

In this work, tin selenide thin films (SnSex) were grown on soda lime glass substrates by selenization of dc magnetron sputtered Sn metallic precursors. Selenization was performed at maximum temperatures in the range 300 °C to 570 °C. The thickness and the composition of the films were analysed using step profilometry and energy dispersive spectroscopy, respectively. The films were structurally and optically investigated by X-ray diffraction, Raman spectroscopy and optical transmittance and reflectance measurements. X-Ray diffraction patterns suggest that for temperatures between 300 °C and 470 °C, the films are composed of the hexagonal-SnSe2 phase. By increasing the temperature, the films selenized at maximum temperatures of 530 °C and 570 °C show orthorhombic-SnSe as the dominant phase with a preferential crystal orientation along the (400) crystallographic plane. Raman scattering analysis allowed the assignment of peaks at 119 cm−1 and 185 cm−1 to the hexagonal-SnSe2 phase and those at 108 cm−1, 130 cm−1 and 150 cm−1 to the orthorhombic-SnSe phase. All samples presented traces of condensed amorphous Se with a characteristic Raman peak located at 255 cm−1. From optical measurements, the estimated band gap energies for hexagonal-SnSe2 were close to 0.9 eV and 1.7 eV for indirect forbidden and direct transitions, respectively. The samples with the dominant orthorhombic-SnSe phase presented estimated band gap energies of 0.95 eV and 1.15 eV for indirect allowed and direct allowed transitions, respectively.

Cu2ZnSnS4 absorber layers obtained through sulphurization of metallic precursors: Graphite box versus sulphur flux

In this work we employed a hybrid method, combining RF-magnetron sputtering with evaporation, for the deposition of tailor made metallic precursors, with varying number of Zn/Sn/Cu (ZTC) periods and compared two approaches to sulphurization. Two series of samples with 1×, 2× and 4× ZTC periods have been prepared. One series of precursors was sulphurized in a tubular furnace directly exposed to a sulphur vapour and N2+5% H2 flux at a pressure of 5.0×10+4 Pa. A second series of identical precursors was sulphurized in the same furnace but inside a graphite box where sulphur pellets have been evaporated again in the presence of N2+5% H2 and at the same pressure as for the sulphur flux experiments. The morphological and chemical analyses revealed a small grain structure but good average composition for all three films sulphurized in the graphite box. As for the three films sulphurized in sulphur flux grain growth was seen with the increase of the number of ZTC periods whilst, in terms of composition, they were slightly Zn poor. The films' crystal structure showed that Cu2ZnSnS4 is the dominant phase. However, in the case of the sulphur flux films SnS2 was also detected. Photoluminescence spectroscopy studies showed an asymmetric broad band emission whichoccurs in the range of 1–1.5 eV. Clearly the radiative recombination efficiency is higher in the series of samples sulphurized in sulphur flux. We have found that sulphurization in sulphur flux leads to better film morphology than when the process is carried out in a graphite box in similar thermodynamic conditions. Solar cells have been prepared and characterized showing a correlation between improved film morphology and cell performance. The best cells achieved an efficiency of 2.4%.

Growth and Raman scattering characterization of Cu2ZnSnS4 thin films

In the present work we report the results of the growth, morphological and structural characterization of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films prepared by sulfurization of DC magnetron sputtered Cu/Zn/Sn precursor layers. The adjustment of the thicknesses and the properties of the precursors were used to control the final composition of the films. Its properties were studied by SEM/EDS, XRD and Raman scattering. The influence of the sulfurization temperature on the morphology, composition and structure of the films has been studied. With the presented method we have been able to prepare CZTS thin films with the kesterite structure.

Precursors’ order effect on the properties of sulfurized Cu2ZnSnS4 thin films

A dc magnetron sputtering-based method to grow high-quality Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films, to be used as an absorber layer in solar cells, is being developed. This method combines dc sputtering of metallic precursors with sulfurization in S vapour and with post-growth KCN treatment for removal of possible undesired Cu2−xS phases. In this work, we report the results of a study of the effects of changing the precursors’ deposition order on the final CZTS films’ morphological and structural properties. The effect of KCN treatment on the optical properties was also analysed through diffuse reflectance measurements. Morphological, compositional and structural analyses of the various stages of the growth have been performed using stylus profilometry, SEM/EDS analysis, XRD and Raman Spectroscopy. Diffuse reflectance studies have been done in order to estimate the band gap energy of the CZTS films. We tested two different deposition orders for the copper precursor, namely Mo/Zn/Cu/Sn and Mo/Zn/Sn/Cu. The stylus profilometry analysis shows high average surface roughness in the ranges 300–550 nm and 230–250 nm before and after KCN treatment, respectively. All XRD spectra show preferential growth orientation along (1 1 2) at 28.45◦. Raman spectroscopy shows main peaks at 338 cm−1 and 287 cm−1 which are attributed to Cu2ZnSnS4. These measurements also confirm the effectiveness of KCN treatment in removing Cu2−xS phases. From the analysis of the diffuse reflectance measurements the band gap energy for both precursors’ sequences is estimated to be close to 1.43 eV. The KCN-treated films show a better defined absorption edge; however, the band gap values are not significantly affected. Hot point probe measurements confirmed that CZTS had p-type semiconductor behaviour and C–V analysis was used to estimate the majority carrier density giving a value of 3.3 × 1018 cm−3.

A study of ternary Cu2SnS3 and Cu3SnS4 thin films prepared by sulfurizing stacked metal precursors

Thin films of Cu2SnS3 and Cu3SnS4 were grown by sulfurization of dc magnetron sputtered Sn–Cu metallic precursors in a S2 atmosphere. Different maximum sulfurization temperatures were tested which allowed the study of the Cu2SnS3 phase changes. For a temperature of 350 ◦C the films were composed of tetragonal (I -42m) Cu2SnS3. The films sulfurized at a maximum temperature of 400 ◦C presented a cubic (F-43m) Cu2SnS3 phase. On increasing the temperature up to 520 ◦C, the Sn content of the layer decreased and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4 was formed. The phase identification and structural analysis were performed using x-ray diffraction (XRD) and electron backscattered diffraction (EBSD) analysis. Raman scattering analysis was also performed and a comparison with XRD and EBSD data allowed the assignment of peaks at 336 and 351 cm−1 for tetragonal Cu2SnS3, 303 and 355 cm−1 for cubic Cu2SnS3, and 318, 348 and 295 cm−1 for the Cu3SnS4 phase. Compositional analysis was done using energy dispersive spectroscopy and induced coupled plasma analysis. Scanning electron microscopy was used to study the morphology of the layers. Transmittance and reflectance measurements permitted the estimation of absorbance and band gap. These ternary compounds present a high absorbance value close to 104 cm−1. The estimated band gap energy was 1.35 eV for tetragonal (I -42m) Cu2SnS3, 0.96 eV for cubic (F-43m) Cu2SnS3 and 1.60 eV for orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. A hot point probe was used for the determination of semiconductor conductivity type. The results show that all the samples are p-type semiconductors. A four-point probe was used to obtain the resistivity of these samples. The resistivities for tetragonal Cu2SnS3, cubic Cu2SnS3 and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4 are 4.59 × 10−2 cm, 1.26 × 10−2 cm, 7.40 × 10−4 cm, respectively.

CuxSnSx+1 (x = 2, 3) thin films grown by sulfurization of metallic precursors deposited by dc magnetron sputtering

We report the results of the growth of Cu-Sn-S ternary chalcogenide compounds by sulfurization of dc magnetron sputtered metallic precursors. Tetragonal Cu2SnS3 forms for a maximum sulfurization temperature of 350 ºC. Cubic Cu2SnS3 is obtained at sulfurization temperatures above 400 ºC. These results are supported by XRD analysis and Raman spectroscopy measurements. The latter analysis shows peaks at 336 cm-1, 351 cm-1 for tetragonal Cu2SnS3, and 303 cm-1, 355 cm-1 for cubic Cu2SnS3. Optical analysis shows that this phase change lowers the band gap from 1.35 eV to 0.98 eV. At higher sulfurization temperatures increased loss of Sn is expected in the sulphide form. As a consequence, higher Cu content ternary compounds like Cu3SnS4 grow. In these conditions, XRD and Raman analysis only detected orthorhombic (Pmn21) phase (petrukite). This compound has Raman peaks at 318 cm-1, 348 cm-1 and 295 cm-1. For a sulfurization temperature of 450 ºC the samples present a multi-phase structure mainly composed by cubic Cu2SnS3 and orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. For higher temperatures, the samples are single phase and constituted by orthorhombic (Pmn21) Cu3SnS4. Transmittance and reflectance measurements were used to estimate a band gap of 1.60 eV. For comparison we also include the results for Cu2ZnSnS4 obtained using similar growth conditions.

Influence of selenization pressure on the growth of Cu2ZnSnSe4 films from stacked metallic layers

Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) is a p-type semiconductor with a high absorption coefficient, 104 to 105 cm-1, and is being seen as a possible replacement for Cu(In,Ga)Se2 in thin film solar cells. Yet, there are some fundamental properties of CZTSe that are not well known, one of them is its band gap. In order to resolve its correct value it is necessary to improve the growth conditions to ensure that single phase crystalline thin films are obtained. One of the problems encountered when growing CZTSe is the loss of Sn through evaporation of SnSe. Stoichiometric films are then difficult to obtain and usually there are other phases present. One possible way to overcome this problem is to increase the pressure of growth of CZTSe. This can be done by introducing an atmosphere of an inert gas like Ar or N2. In this work we report the results of morphological, structural and optical studies of the properties of CZTSe thin films grown by selenization of DC magnetron sputtered metallic layers under different Ar pressures. The films are analysed by SEM/EDS, Raman scattering and XRD.

Cu2ZnSnS4 solar cells prepared with sulphurized dc-sputtered stacked metallic precursors

In the present work we report the details of the preparation and characterization results of Cu2ZnSnS4 (CZTS) based solar cells. The CZTS absorber was obtained by sulphurization of dc magnetron sputtered Zn/Sn/Cu precursor layers. The morphology, composition and structure of the absorber layer were studied by scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, X-ray diffraction and Raman scattering. The majority carrier type was identified via a hot point probe analysis. The hole density, space charge region width and band gap energy were estimated from the external quantum efficiency measurements. A MoS2 layer that formed during the sulphurization process was also identified and analyzed in this work. The solar cells had the following structure: soda lime glass/Mo/CZTS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al/Al grid. The best solar cell showed an opencircuit voltage of 345 mV, a short-circuit current density of 4.42 mA/cm2, a fill factor of 44.29% and an efficiency of 0.68% under illumination in simulated standard test conditions: AM 1.5 and 100 mW/cm2.

Effect of selenization conditions on the growth and properties of Cu2ZnSn(S,Se)4 thin films

The opto-electronic properties of copper zinc tin sulfide can be tuned to achieve better cell efficiencies by controlled incorporation of selenium. In this paper we report the growth of Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) using a hybrid process involving the sequential evaporation of Zn and sputtering of the sulfide precursors of Cu and Sn, followed by a selenization step. Two approaches for selenization were followed, one using a tubular furnace and the other using a rapid thermal processor. The effects of annealing conditions on the morphological and structural properties of the films were investigated. Scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy were employed to investigate the morphology and composition of the films. Structural analyses were done using X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. Structural analyses revealed the formation of CZTSSe. This study shows that regardless of the selenization method a temperature above 450 °C is required for conversion of precursors to a compact CZTSSe layer. XRD and Raman analysis suggests that the films selenized in the tubular furnace are selenium rich whereas the samples selenized in the rapid thermal processor have higher sulfur content.