Determination of optimal conditions for producing CZTS thin films by electrodeposition for photovoltaic applications // Détermination des conditions optimales d’élaboration des couches minces CZTS par électrodéposition destinées aux applications photovoltaïques

Abstract

إن تطوير خلايا شمسيةكهروضوئية ذات أغشية رقيقة منخفضة تكلفة وعالية كفاءة يفتح أفاقا جديدة لمواجهة تحدي الطاقات النظيفة والمتجددة. ومن بين البدائل الواعدة للطبقة الماصة في هذه الخلاياهو كبريتيد النحاس والزنك والقصدير (Cu2ZnSnS4)، الذي يحتوي على عناصر غير سامة ومتوفرة في القشرة الأرضية بتكلفة قليلة. تركز الدراسة الحالية من جهة على تحضير وتوصيف الأغشية الرقيقة CZTS بطريقة اقتصادية وبسيطة والمتمثلة في الترسيب الكهربائيوتقييم أدائها في الخلايا الشمسية بواسطة برنامج المحاكاةSCAPS-1D من جهة أخرى. تم تحضير ثلاث سلاسل من الأغشية الرقيقة CZTSعلى ركائز مختلفة(زجاج/ITO) و (زجاج/FTO)في شروط تجريبية مختلفة من أجل إيجادالشروط المثاليةلتحضيرالأغشية الرقيقة من CZTS المخصصة للتطبيقات الكهروضوئية وذلك بتغييرزمنالترسيب،درجة حرارة وزمن التلدين. كشف تحليل حيود الأشعة السينية أن جميع الأغشية CZTS المحضرة تُظهر بنية رباعي الزوايا. كما تم تأكيد البنية رباعية الزوايا بالتحليل الطيفي رامان. ومع ذلك، فإن الخصائص البنيوية والأطوار الثانوية تأثرت بالشروط التجريبية. تُظهر جميع الأغشية لمختلف أوقات الترسيببنية رباعية الزوايالــCZTS كطور رئيسي مع امتلاك محور نمو مفضل في الاتجاه[112]باستثناء الغشاء الذي تم ترسيبه خلال 20 دقيقة والذي يحتوي على أطوارثانوية أخرىهيSnS وS20. اظهر تحليل رامان الطيفي أيضًا البنية رباعية الزوايا. بينت نتائج تأثير زمن التلدين أن جميع الأغشية المتحصل عليها ذات بنية رباعية الزوايا وذات اتجاه مفضل [112]. علاوة على ذلك، كشفت الأغشية الرقيقة التي تم تلدينها عند 15 و30 دقيقة عن تكوين طورين ثانويين إضافيين وهماSnS وS20.تم تأكيد البنية رباعية الزوايا أيضًا من نتائج التحليل الطيفي رامان. تتناقص نسبة الطور الثانوي CuS في الشرائح المحضرةمع زيادة درجة حرارة التلدين،ويختفي هذا الطور نهائيا في الغشاء الذي تم معالجته عند درجة حرارة 550 درجة مئوية، مما يشير إلى أن درجة الحرارة هذه كانت كافية لإزالة الطور الثانويCuS. نتائج التوصيف البصري والكهربائي اثبت أن الشريحةCZTS550 لديها فجوة نطاق مناسبة،قيمتها1.47eV، وهي قريبة جدًا من القيم المميزة لـ CZTS النقي.علاوة على ذلك، فإنهاتملك امتصاصًا ممتازًا في النطاق المرئي إلى جانب موصلية كهربائيةعالية منالنوع p. أبرزت نتائج المحاكاة الرقمية بواسطة برنامج SCAPS-1D أن التحكم في تركيزعيوب الطبقة الماصة للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة هو مفتاح مهم يجب أخذه بعين الاعتبار لإجراء مزيد من التحسينات على أداء الخلايا الشمسية CZTS.

The development of low cost and high efficiency thin film solar cells has opened up new solutions to address the challenge of clean and renewable energy. One promising alternative for an absorber material is copper-zinc-tin-sulfide (Cu2ZnSnS4), which contains only earth-abundant non-toxic elements and low cost. The current study focuses on the elaboration and characterization of CZTS thin films by an economical and simple method suchas electrodeposition and to evaluate their performance in complete solar cells by SCAPS-1D simulator. Series of CZTS thin films were fabricated under different experimental conditions to find the optimal conditions forproducing of CZTS thin films devoted to the photovoltaic applications. Three series of CZTS thin films were prepared on different substrates (ITO/glass) and (FTO/glass) at different experimental conditions in order to optimize the conditions for producing CZTS thin films suitable for photovoltaic applications; deposition time, temperature and annealing time. The structural analysis reveals that all prepared CZTS films exhibit a tetragonal structure. Which was furtherconfirmed from Raman spectroscopy. Nevertheless, the structural characteristics and secondary phases influenced by the experimental conditions. For the different deposition time, all films exhibits the CZTS tetragonal structure as the principal phase with the high degree of preferred orientation along [112] direction. The film deposited at 20 min has other additional phases such as SnS and S20. Raman spectroscopy also approved the formation of the tetragonal structure. The effect of annealing time reveals that all films exhibit atetragonal structure with the preferential orientation along [112] direction. Moreover, the films annealed during 15 and 30 min reveal the formation additional phases SnS and S20 as secondary phases. The tetragonal structure was also confirmed by Raman spectroscopy. The concentration of the CuS secondary phase in the prepared layers decreased with increasing annealing temperature and completely disappeared in the film prepared at 550°C, indicating that this temperature was sufficient to remove the CuS secondary phase. From the optical and electrical characterization results, we concluded that CZTS550 has a band gap of 1.47 eV, which is very close to the characteristic values of pure CZTS. In addition, it has excellent absorption in the visible range as well as high p electrical conductivity conduction type. The numerical simulation results obtained by SCAPS-1D showed that controlling the defect concentration of the absorbing layer for thin film is an important key that should be considered for further improvements in solar cell performance.

Le développement de cellules solaires en couches minces à faible coût et à haut rendement ouvre de nouveaux horizons pour relever le défi de l’énergie solaire photovoltaïque. Un semiconducteur promoteur pour fabriquer la couche absorbante est le sulfure de cuivre, de zinc et d'étain (Cu2ZnSnS4), qui contient des éléments non toxiques disponibles dans la croûte terrestre à faible coût. Ce travail a pour but, d'une part, la préparation et la caractérisation des couches minces CZTS par une technique simple et économique qui est l’électrodéposition, et d'autre part, la simulation numérique par SCAPS-1D des cellules solaire à base des couches minces CZTS préparées. Trois séries de couches minces CZTS ont été préparées sur deux types de substrats (ITO/verre) et (FTO/verre)à différentes conditions expérimentales afin d’optimiser les conditions d’élaborations de couches minces CZTS adaptées aux applications photovoltaïques; à savoir le temps de dépôt, la température et le temps de recuit. L'analyse structurale a montré que tous les films CZTS préparés présentent une structure tétragonale. La structure tétragonale a également été confirmée par la spectroscopie Raman. Cependant, les propriétés structurales et les phases secondaires ont été affectées par les conditions expérimentales. Tous les films préparés à différents temps de dépôt montrent une structure tétragonale et la phase CZTS comme phase principale avec un axe de croissance préférentielle suivant la direction [112]. Le film déposé à 20 minutes contient d'autres phases supplémentaires, à savoir la phase SnS et S20. La spectroscopie Raman montre également la structure tétragonale. Les résultats de l'effet du temps de recuit ont montré que tous les films obtenus avaient une structure tétragonale et une orientation privilégiée selon la direction [112]. De plus, les films recuits à 15 et 30 min ont montré la formation de deux phases secondaires supplémentaires SnS et S20. La structure tétragonale a également été confirmée par la spectroscopie Raman. La concentration de la phase secondaire CuS dans les couches préparées diminue avec l'augmentation de la température de recuit et disparaît complètement dans le film traité à 550°C, indiquant que cette température était suffisante pour éliminer la phase secondaire CuS. À partir des résultats de la caractérisation optique et électrique, nous avons conclu que le CZTS550 possède une largeur de bande interdite de 1.47 eV, ce qui est très proche des valeurs caractéristiques du CZTS pur. De plus, il présente une excellente absorption dans le domaine visible ainsi qu’une grande conductivité électrique de type p. Les résultats de simulation numérique obtenus par SCAPS-1D ont montré que le contrôle de la concentration de défauts de la couche absorbante pour les cellules solaires en couches minces est une clé importante qui doit être prise en compte pour de nouvelles améliorations des performances des cellules solaires CZTS.