Synthesis and characterization of some nano-selenides and their applications in solar cells

Abstract

Resumen (Castellano) El aumento del consumo de energía global junto con las preocupaciones ambientales ha generado mucho interés por las fuentes de energía alternativas y limpias, como la energía solar fotovoltaica. Los investigadores en la comunidad fotovoltaica han estado buscando formas de reducir costos mientras mantienen o aumentan las eficiencias. Una mejor comprensión de los materiales implicados es esencial para el rápido desarrollo de nuevas tecnologías. Las películas delgadas I-III-VI2 ofrecen sistemas prometedores para lograr células solares de alta eficiencia a un costo menor. De hecho, al adaptar la composición de los compuestos, es posible cambiar la banda prohibida del material para captar la luz solar de manera más eficiente. Esta tesis se centra en la preparación y caracterización del material de la capa absorbente, especialmente las películas delgadas nanocristalinas y la consideración de las características estructurales y eléctricas de dicha capa principal absorbente de células. La tesis examina cómo las diferentes técnicas de preparación y uso del material podrían afectar las propiedades del películas delgadas sintetizadas. Películas delgadas CuInSe2 y CuInS2 se depositaron sobre sustratos de vidrio ITO usando la técnica de electrodeposición en solución acuosa. Las películas electrodepositadas se caracterizaron por difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis de rayos X de energía dispersiva (EDS). Se investigaron los efectos de recocido sobre los precursores electrodepositados. La estructura de calcopirita de CuInSe2/CuInS2 mostró una mejora de la cristalinidad después del tratamiento posterior de selenización/sulfurización en atmósfera Se/S, respectivamente. Los estudios de XRD y SEM revelaron una mejora de la calidad cristalina de las películas de CIS después de los tratamientos térmicos. Las propiedades ópticas de las películas delgadas recocidas CuInSe2-Se y CuInSe2-S se han estudiado para determinar el efecto del proceso de recocido en diferentes ambientes de selenio y azufre. Además, modificamos el CuInxCryGa1-x-ySe2 de cobre indio, donde x = 0.4, y = (0.0, 0.1, 0.2, 0.3) la capa de superestrato por el proceso de recubrimiento por centrifugado. CuInxCryGa1-xySe2 donde x = 0.4, y = (0.0, 0.1, 0.2, 0.3) nanopartículas han sido sintetizadas en primer lugar usando un método hidrotermal químico húmedo que se basa en un proceso térmico sin vacío sin ningún proceso de selenización adicional. Introduciendo diferentes fuentes de metal en un autoclave con etilenamina como solvente, se obtuvieron nanopartículas de CIGS a diferentes temperaturas en un rango de 190-230 °C. Los resultados de la difracción de rayos X (XRD) confirmaron la formación de una estructura de calcopirita CuInxCryGa1-x-ySe2 tetragonal. Finalmente, se estudió el efecto de la temperatura de recocido en los materiales tipo Kesterita (como el Cu2ZnSnS4) que son materiales de muy bajo costo y que no dañan el medio ambiente. Estudiamos el crecimiento de las películas delgadas cuaternarias Cu2ZnSnS4 (CZTS) de kesterita mediante un depósito electroquímico de un solo paso seguido de un recocido a baja temperatura. La influencia de diferentes atmósferas de recocido a tiempos de recocido constantes (t = 45 min) y parámetros de control de preparación fijos; es decir, concentración de la solución de materiales de partida (sales de metales precursores), tiempo de deposición y potencial de electrodeposición. Se estudiaron las propiedades estructurales, de composición, morfológicas y ópticas, así como las propiedades fotoelectroquímicas.

Abstract Increasing global energy consumption together with environmental concerns has led to much interest in alternative, cleaner sources of energy such as solar photovoltaic. Researchers in the solar cell community have been looking for ways to reduce costs while maintaining or increasing already high efficiencies. A fundamental understanding of the materials under consideration is essential to rapid development of new technologies. The I-III-VI2 thin films offer promising systems for achieving high efficiency solar cells at lower costs. In fact, by tailoring the chemistry of the compounds it is possible to change the bandgap of the material in order to collect sunlight more efficiently. First of all, this thesis focuses on absorber layer material preparation and characterization, especially nanocrystalline thin films and consideration of both structural and electrical characteristics of such main cell absorber layer.The thesis examines how different preparation techniques and material usage could affect the properties of the synthesized thin films (absorber layer). In this study CuInSe2 and CuInS2 thin films were deposited onto ITO glass substrate using the electrodeposition technique in aqueous solution. The electrodeposited films were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray analysis (EDS). The annealing effects on the electrodeposited precursors were investigated. The chalcopyrite structure of CuInSe2/CuInS2 showed an enhancement of crystallinity after subsequent selenization/sulfurization treatment in Se/S atmosphere, respectively. XRD and SEM studies revealed a dramatic improvement of the crystalline quality of CIS films after annealing treatments. The optical properties of annealed CuInSe2-Se and CuInSe2-S thin films have been studied in order to determine the effect of annealing process in different selenium and sulfur atmosphere. In the second step we modified copper indium CuInxCryGa1-x-ySe2 where x=0.4, y= (0.0, 0.1, 0.2, 0.3)superstrate layer by spin coating process. CuInxCryGa1-x-ySe2 where x=0.4, y= (0.0, 0.1, 0.2, 0.3) nanoparticles have been synthesized firstly using a wet chemical hydrothermal method that is based on a non-vacuum thermal process without any additional selenization process. Introducing different metal sources in an autoclave with ethylenediamine as solvent, CIGS nanoparticles were obtained at different temperatures range 190-230°C. The X-ray diffraction (XRD) results confirmed the formation of a tetragonal CuInxCryGa1-x-ySe2 chalcopyrite structure. Finally, we turned again to the study of the annealing temperature effect onKesterite materials but this time in those of very low-cost materials and environmentally friendly Cu2ZnSnS4. We studied the growth of quaternary Cu2ZnSnS4 (CZTS) kesterite thin films by a single step electrochemical deposition followed by annealing at low temperature. The influence of different annealing atmospheres at constant annealing times (t = 45 min) and fixed preparation controlling parameters; i.e., starting materials (precursor metal salts) solution concentration, time of deposition and electrodeposition potential. Structural, compositional, morphological, and optical properties, as well as photoelectrochemical properties were studied.

Resum (Valencià) L'augment del consum d'energia global juntament amb les preocupacions ambientals ha generat molt d'interès per les fonts d'energia alternatives i netes, com ara l'energia solar fotovoltaica. Els investigadors de la comunitat fotovoltaica han estat buscant formes de reduir costos mentre mantenen o augmenten les eficiències. Una millor comprensió dels materials implicats és essencial per al ràpid desenvolupament de noves tecnologies. Les pel·lícules primes I-III-VI2 ofereixen sistemes prometedors per aconseguir cèl·lules solars d'alta eficiència a un cost menor. De fet, en adaptar la composició dels compostos, és possible canviar la banda prohibida del material per captar la llum solar de manera més eficient. Aquesta tesi se centra en la preparació i caracterització del material de la capa absorbent, especialment les pel·lícules primes nanocristal·lines i la consideració de les característiques estructurals i elèctriques d'aquesta capa principal absorbent de cèl·lules. La tesi examina com les diferents tècniques de preparació i ús del material podrien afectar les propietats del pel·lícules primes sintetitzades. Pel·lícules primes CuInSe2 i CuInS2 es van dipositar sobre substrats de vidre ITO usant la tècnica d'electrodeposició en solució aquosa. Les pel·lícules electrodepositadas es van caracteritzar per difracció de raigs X (XRD), microscòpia electrònica de rastreig (SEM) i anàlisi de raigs X d'energia dispersiva (EDS). Es van investigar els efectes de recuit sobre els precursors electrodepositados. L'estructura de calcopirita de CuInSe2/CuInS2 va mostrar una millora de la cristal·linitat després del tractament posterior de selenització/sulfurització en atmosfera de Se o S, respectivament. Els estudis de XRD i SEM van revelar una millora de la qualitat cristal·lina de les pel·lícules de CIS després dels tractaments tèrmics. Les propietats òptiques de les pel·lícules primes recuites CuInSe2-Es i CuInSe2-S s'han estudiat per determinar l'efecte del procés de recuit en diferents ambients de seleni i sofre. A més, modifiquem el CuInxCryGa1-x-ySe2 de coure indi, on x = 0.4, i = (0.0, 0.1, 0.2, 0.3) la capa d'superstrat pel procés de recobriment per centrifugat. CuInxCryGa1-x-ySe2 on x = 0.4, i = (0.0, 0.1, 0.2, 0.3) nanopartícules han estat sintetitzades en primer lloc fent servir un mètode hidrotermal químic humit que es basa en un procés tèrmic sense buit sense cap procés de selenización addicional. Introduint diferents fonts de metall en un autoclau amb etilenamina com solvent, es van obtenir nanopartícules de CIGS a diferents temperatures en un rang de 190- 230 °C. Els resultats de la difracció de raigs X (XRD) van confirmar la formació d'una estructura de calcopirita CuInxCryGa1-x-ySe2 tetragonal. Finalment, es va estudiar l'efecte de la temperatura de recuit en els materials tipus kesterita (com el Cu2ZnSnS4) que són materials de molt baix cost i que no danyen el medi ambient. Vam estudiar el creixement de les pel·lícules primes quaternàries Cu2ZnSnS4 (CZTS) de kesterita mitjançant un dipòsit electroquímic d'un sol pas seguit d'un recuit a baixa temperatura. La influència de diferents atmosferes de recuit a temps de recuit constants (t = 45 min) i paràmetres de control de preparació fixos; és a dir, concentració de la solució de materials de partida (sals de metalls precursors), temps de deposició i potencial d'electrodeposició. Es van estudiar les propietats estructurals, de composició, morfològiques i òptiques, així com les propietats fotoelectroquímiques