Influência da sulfurização nas propriedades físicas de filmes de CZTS

Abstract

Neste trabalho estudam-se filmes finos de Cu2ZnSnS4 (CZTS) no sentido de avaliar a influência das condições de sulfurização (temperatura, tempo e massa de enxofre) nas propriedades físicas destes filmes, de forma a otimizar a sua utilização como camada absorvente em células solares. As estruturas precursoras foram crescidas através da deposição de oito períodos constituídos por camadas de precursores binários (CuS e SnS2) e de Zn. A análise morfológica, estrutural e ótica foi realizada com base nas técnicas de SEM, EDS, DRX, espetroscopia Raman, eletroluminescência e fotoluminescência. Observou-se que as amostras sulfurizadas a temperaturas mais elevadas e maiores massas de enxofre apresentam um maior tamanho de grão dos cristais de CZTS. A análise estrutural permitiu verificar que a fase dominante em todas as amostras estudadas é o CZTS. O estudo de fotoluminescência da amostra com maior tamanho de grão e eficiência mais elevada mostrou que a banda dominante corresponde à recombinação radiativa de eletrões localizados nas caudas da banda de condução e buracos localizados em defeitos aceitadores. Foi estimada uma energia de ionização do nível aceitador de 284±8 meV e uma profundidade de 22±1 meV para o nível de energia dos eletrões nas caudas da banda de condução. Os mecanismos de desexcitação não radiativa foram atribuídos a dois canais, um envolvendo um nível discreto e outro uma banda.

In this work, Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films were studied in order to evaluate the influence of the sulfurization conditions (temperature, time and sulfur mass) on their physical properties in order to optimize the applications as absorbent layer in solar cells. The precursor structures were grown through deposition of eight periods consisting on layers of binaries precursors (CuS, SnS2) and of Zn. The morphological, structural and optical analysis was based on SEM, EDS, XRD, Raman spectroscopy, electroluminescence and photoluminescence. It was found that the sulfurized samples at higher temperature and higher sulfur mass showed higher CZTS grain size. The structural analysis has shown that dominant phase in all samples was the CZTS phase. The photoluminescence study of the sample with higher grain size and higher cell conversion showed that the dominant band corresponds to radiative recombination of electrons localized in tails of the conduction band and holes localized in acceptor energy levels. It was estimated an ionization energy for the acceptor levels of 284±8 meV and a depth of 22±1 meV for the electrons energy levels in the tail of the conduction band. The non-radiative de-excitation mechanisms were assigned to two channels, one involving a discrete energy level and another involving a band.