Influência de parâmetros de crescimento nas propriedades de Cu2ZnSnS4

Abstract

Neste trabalho estudam-se filmes finos de Cu2ZnSnS4 (CZTS) no sentido de avaliar a influência dos parâmetros de crescimento na morfologia e nas propriedades estruturais e óticas destes filmes de forma a otimizar a sua utilização como camada absorvente em células solares. O número de períodos de precursores metálicos foi variado (1, 2, 4) e a sulfurização foi realizada em caixa de grafite ou em fluxo de enxofre. Os estudos realizados consistiram em análises morfológica, estrutural e ótica com base nas técnicas de SEM, EDS, XRD, espetroscopia de Raman e fotoluminescência. Verificou-se que as amostras sulfurizadas em fluxo de enxofre apresentavam um tamanho de grão médio superior ao observado para as amostras sulfurizadas em caixa de grafite. Adicionalmente, para este último conjunto de amostras, a intensidade da luminescência medida é claramente inferior à obtida para as amostras sulfurizadas em fluxo de enxofre. Por outro lado, o incremento do número de períodos de precursores revelou-se vantajoso tanto do ponto de vista do tamanho de grão como do incremento da razão sinal/ruído da luminescência. A análise estrutural permitiu verificar que a fase de CZTS é dominante em todas as amostras estudadas. Para a amostra com quatro períodos e sulfurizada em fluxo de enxofre, as dependências na potência de excitação e na temperatura permitiram estabelecer um modelo de transições radiativas entre um eletrão na banda de condução e um buraco ligado a um nível aceitador sob a influência de flutuações de potencial na banda de valência. A profundidade das flutuações de potencial na banda de valência foi avaliada, obtendo-se o valor de 104,7 0,4 meV. Foi estimada uma energia de ionização do nível aceitador de 78 3 meV e um valor para a energia de hiato do CZTS a 17 K na gama 1,467-1,507 eV. Os mecanismos de desexcitação não radiativa foram investigados tendo-se estabelecido dois canais envolvendo, um nível discreto ou uma banda. Os resultados deste trabalho revelaram-se importantes no processo de otimização das técnicas de crescimento em filmes finos de CZTS.

In this work we study Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films in order to evaluate the influence of the growth parameters on their morphology and structural and optical properties to optimize the application as absorbent layer in solar cells. The number of periods of metallic precursors was changed (1, 2, 4) and the sulphurization was done in a graphite box or under sulphur flux. The studies consisted of morphological, structural and optical analysis based on SEM, EDS, XRD, Raman spectroscopy and photoluminescence. It was found that the samples sulphurized in sulphur flux had an average grain size higher than that observed for the samples sulphurized in the graphite box. Additionally, the luminescence intensity for the last set of samples is clearly lower than the observed for the samples sulphurized in sulphur flux. Moreover, the increment in the number of periods of metallic precursors proved advantageous both from the viewpoint of grain size as the increase of signal/noise ratio of the luminescence. Structural analysis showed that the CZTS phase is dominant in all studied samples. For the sample with four periods and sulphurized on sulphur flux, the dependences of the emission on the excitation power and temperature allowed to establish a model of radiative recombination between an electron in the conduction band and a hole bound to an acceptor level under the influence of potential fluctuations of the valence band. The depth of the potential fluctuations in the valence band was evaluated, obtaining the value of 104,7 0,4 meV. An ionization energy for the acceptor level of 78 3 meV and a band gap at 17 K in the range 1,467-1,507 eV, were estimated. Two nonradiative channels involving, a discrete level or a band, were established. The results of this study have proved relevant in the optimization process of the growth of CZTS thin films.