Preparation and Characterization of SnS thin films by Chemical Spray Pyrolysis for fabrication of solar cells

Abstract

El objetivo de esta tesis es la síntesis de películas delgadas de SnS utilizando técnicas de bajo coste con el fin de fabricar células solares. Nuestra contribución radica en estudiar nuevos materiales susceptibles de ser utilizados para aplicaciones fotovoltaicas, y que puedan ser preparados con técnicas de bajo coste como la técnica de Pyrolysis de Spray Químico (CSP) y caracterizar algunos materiales elegidos para este fin como el Sulfuro de Estaño (SnS). Se han fabricado células solares a partir de la disposición de capas: Mo / SnS / Tampón / i-ZnO / ZnO: Al / Al / Metal. Las capas de buffer serían: In2S3 o CdS. En la primera etapa hemos procedido a la optimización de los parámetros de deposición de películas delgadas de SnS usando la técnica de la CSP, -Variación de la relación [S] / [Sn]. -Variación de la temperatura del substrato. -Variación de la naturaleza del sustrato utilizando sustrato como vidrio, óxido de estaño de indio (ITO) y vidrio recubierto de molibdeno. Las fuentes de productos químicos y disolventes utilizados son: - Cloruro de dihidrato dihidratado para Tin (Sn), Thiourea, Agua destilada como disolvente de la solución, Ethanol (10% de 50mL) con el fin de reducir la tensión superficial del agua que es 72 Nm-1, para permitir la dispersión de la solución depositada sobre el sustrato fácilmente. En una segunda etapa se han dopado pel¿culas delgadas de SnS con algún elemento en la tabla de Mendeleiev para modificar las propiedades f¿sicas y qu¿micas de las pel¿culas. Los elementos químicos utilizados fueron: Plata, Aluminio y Hierro. Se han utilizado varias técnicas de caracterización: - Difracción de rayos X (XRD) para la estructura cristalina de las películas - Espectroscopía Raman para la calidad de las películas - Microscopía electrónica de barrido (SEM) para morfología superficial - Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) para topografía de superficie - Análisis dispersivo de energía de rayos X (EDAX) adjunto a SEM para la composición de la película - Espectrofotometría óptica para la transmisión y la determinación del gap - Método de 4 puntas para medición de resistividad del SnS dopado -Mott-Schottky para determinar el tipo de semiconductor y la concentración de portadores Los principales resultados obtenidos en esta tesis pueden resumirse como sigue: -Las películas delgadas mono-sulfuro (SnS) deben depositarse sobre un sustrato de vidrio con [S] / [Sn] igual a una (1) y la temperatura del sustrato igual a 350 ° C para obtener películas densas, bien cubiertas y homogéneas sin agujeros Y grietas. Distancia entre la boquilla al sustrato 25 cm, volumen pulverizado 5 ml, presión de aire 0,7 bar y velocidad de pulverización de 1,5 ml / min. - Para películas dopadas por Plata y Aluminio, todas las películas son estructura ortorrómbica con (111) como pico principal. La intensidad del pico principal aumenta cuando el porcentaje de elemento dopante aumenta en la solución inicial sin ninguna fase secundaria para el dopaje con Al y con Ag8SnS6 y Ag para el dopaje Ag. - El análisis de SEM y AFM demuestra que el elemento dopante Ag no tiene efecto en la morfología y ni en la topografía mientras que el dopaje Al actúa sobre la morfología superficial produciendo una morfología que presenta muchos agujeros para muestras dopadas de 3% a 7%. - EDAX destaca un aumento de Ag en películas cuando la cantidad de Ag aumenta en la solución con S/ Sn¿0,98 cerca de 1 al 5% de porcentaje de dopado de Ag donde como para el dopaje EDAX destaca la mejora de la estequiometría con un aumento del porcentaje de Al Atómica en películas cuando la concentración de Al aumenta en la solución inicial con S / Sn = 0, 99 al 10%. - La resistividad de las muestras dopadas con Ag y Al aumenta con la concentración de dopado y se observa un aumento del gap óptico de 1.66eV a 1.70eV para SnS dopado por Ag y SnS dopado por Al, respectivamente.

ß-In2S3 thin films deposited by Chemical Spray Pyrolysis technique at different substrate temperatures (250 °C-300 °C-350 °C) showed well crystallized thin films with (0 0 12) as preferred direction perpendicular to the plane containing the surface of glass substrate. SEM images showed dense, uniform, well-covered layers that adhere well to substrates and no crack and void space were noted for all substrate temperatures. Microanalysis X confirms the presence of In and S elements with good stoichiometry after vacuum annealing for 30 minutes. Raman spectroscopy analysis confirms ß-In2S3 phase with more prominent modes after vacuum annealing. We also noted a reduction in the gap energies after annealing for films prepared at 250 °C and 350 °C substrate temperatures while for those prepared at 300 °C, the energy of the gap remains stable. Tin mono-sulfide (SnS) thin films must be deposited onto glass substrate with [S]/[Sn] ratio equal to one (1) and substrate temperature equal to 350 °C to obtained dense, well-covered, and homogeneous films without pinholes and cracks. Distance between nozzle to substrate is kept to 25cm, sprayed volume 5mL, air pressure 0.7bar and spray rate 1.5 mL/min. Films doped with Silver (Ag) and Aluminum (Al) were all orthorhombic structure with (111) as main peak. The intensity of main peak increased when the percentage of dopant element increased in the initial solution without any secondary phase for Al-doping films and with Ag8SnS6 and Ag for Ag-doping ones. SEM and AFM analysis showed that Ag-doping element had no effect in the morphology and the topography while Al-doping affected the surface morphology with "fishing net" like morphology with lots of holes for samples doped from 3% to 7%. EDS highlighted an increase of Ag in films when its amount increased in the solution with S/Sn¿0.98 near to 1 at 5% of Ag-doping percentage where as for Al-doping EDS highlighted improvement of stoichiometry with an increase of Al percentage atomic in films when Al concentration increased in the initial solution with S/Sn¿0.99 at 10%. Electrical and energy band gap measurement showed a decrease of resistivity when Ag and Al percentages increased in the solution to reach relatively low resistivity of 108¿.cm and 170¿.cm at 10% for both, and an increased of energy band gap when the Ag and Al-doping elements increased in the solution with 1.66eV and 1.70eV for SnS doped with Ag and SnS doped with Al, respectively. Spray pyrolyzed SnS thin films doped with indium were studied using various optical and electrical techniques. Structural analysis shows that all films crystallize in orthorhombic structure with (111) as a preferential direction without secondary phases. Doping of SnS layers with indium results in better morphology with increased grain size. Absorption measurements indicate dominant direct transition with energy decreasing from around 1.7 eV to 1.5 eV with increased indium supply. Apart from direct transition, an indirect one, of energy of around 1.05 eV, independent on indium doping was identified. The photoluminescence study revealed two donors to acceptor transitions between two deep defect levels and one shallower with energy of around 90 meV. The observed transitions did not depend significantly on In concentration. The conductivity measurements reveal thermal activation of conductivity with energy decreasing from around 165 meV to 145 meV with increased In content. Finally, we were investigated the J-V characteristics of FTO/CdS/SnS,FTO/ZnO/CdS/SnS, FTO/ZnO:Al/CdS/SnS, FTO/ZnO:Al/SnS and FTO/In2S3/SnS solar cells and we found that efficiencies are very low due probably to the recombination at the junction, grain boundaries, etc.

L'objectiu d'aquesta tesi és la síntesi de pel·lícules primes de SnS utilitzant tècniques de baix cost per tal de fabricar cèl·lules solars amb alta eficiència. La nostra contribució rau en estudiar nous materials susceptibles de ser utilitzats per a aplicacions fotovoltaiques, i que puguin ser preparats amb tècniques de baix cost com la tècnica de Spray Piròlisis Químic (CSP) i caracteritzar alguns materials triats per a aquest fi, com ara el Sulfur de estany (SnS). S'han fabricat cèl·lules solars a partir de la disposició de capes: Mo/SnS /Tampó/i-ZnO/ZnO: Al/ Metall. Les capes de per al bufer intermèdi has sigut de In2S3 i CdS. En la primera etapa hem procedit a l'optimització dels paràmetres de deposició de pel·lícules primes de SnS usant la tècnica CSP. -Variació de la relació [S] / [Sn]. -Variació de la temperatura Ts del substrat. -Variació de la naturalesa del substrat utilitzant substrat com: vidre simple, òxid d'estany d'indi (ITO) i vidre recobert de molibdè. Les fonts de productes químics i dissolvents utilitzats han sigut; Clorur d'estany per a l'estany (Sn), thiourea per sofre (S). Aigua destil·lada com a dissolvent de la solució. Ethanol (10% de 50ml) per tal de reduir la tensió superficial de l'aigua que és 72 Nm-1, per a permetre la dispersió de la solució dipositada fàcilment sobre el substrat. En una segona etapa s'han dopat pel.lícules primes de SnS amb algun element en la taula de Mendeleiev per modificar les propietats físiques i químiques de les pel.l¿cules. Els elements químics utilitzats són: Plata (Ag+), alumini (Al3+), Ferro (Fe2+), Coure (Cu2+) i Antimoni (SB3+) com a font de nitrat de plata (AgNO3), Clorur d'alumini (AlCl3) (FeCl2·4H2O ), Clorur de Coure (CuCl2 i Clorur de Antimoni (SbCl3). S'han utilitzat diverses tècniques de caracterització: - Difracció de raigs X (XRD) per a l'estructura de les pel·lícules i cristal - Raman Spectroscopy per a la qualitat de les pel·lícules - Microscòpia electrònica de rastreig (SEM) per morfologia superficial - Microscòpia de Força Atòmica (AFM) per topografia de superfície - Anàlisi dispersiu d'energia de raigs X (EDAX) adjunt a SEM per a la composició de la pel·lícula -Espectrofotometría per a la transmissió i el mesurament de la banda d'energia utilitzant la trama de Tauc - Tècnica de punta-sonda per a mesurament de resistivitat amb dopat SnS -Mott-Schottky per determinar el tipus de semiconductor i la concentració de portadors Els principals resultats obtinguts en aquesta tesi poden resumir així: -Les pel·lícules primes mico-sulfur (SnS) han de dipositar-sobre un substrat de vidre amb [S]/[Sn] igual a una (1) i la temperatura del substrat igual a 350 °C per obtenir pel·lícules denses, ben cobertes i homogènies sense forats I esquerdes. Distància entre el filtre al substrat 25 cm, volum polvoritzat 5 ml, pressió d'aire 0,7 bar i velocitat de polvorització de 1,5 ml / min. Per pel·lícules dopades per Plata i alumini, totes les pel·lícules són estructura ortorrómbica amb (111) com pic principal. La intensitat del pic principal augmenta quan el percentatge d'element dopant augmenta en la solució inicial sense cap fase secundària per al dopatge amb Al i amb Ag8SnS6 i Ag per al dopatge Ag. L'anàlisi de SEM i AFM demostra que l'element dopant Ag no té efecte en la morfologia i la topografia mentre que el dopatge en actua sobre la morfologia superficial produint una morfologia que presenta molts forats per a mostres dopades de 3% a 7%. EDAX destaca un augment de Ag en pel·lícules quan la quantitat d'Ag augmenta en la solució amb S / Sn¿0,98 prop d'1 a 5% de percentatge de dopatge d'Ag on com per al dopatge EDAX destaca la millora de l'estequiometria amb un augment del percentatge d'al Atòmica en pel·lícules quan la concentració d'al augmenta en la solució inicial amb S / Sn = 0,99 al 10%.