Preparação e caracterização de filmes finos de CulnS2 para células solares

Abstract

Neste trabalho foi realizado um estudo sobre o crescimento e a caracterização de filmes finos de CuInS2 (CISu) obtidos por sulfurização de precursores elementares de Cu/In. Os filmes resultantes constituem a camada absorvente de células solares de filme fino. Esta camada deve ser um semicondutor do tipo-p. Esse tipo de condutividade é, neste material, obtido garantindo que os defeitos cristalinos dominantes correspondem a lacunas de Cu na estrutura de calcopirite. Contudo no caso do CISu a preparação começa por ser rica em Cu nomeadamente com razões entre precursores de Cu:In ~1.6 com o objectivo de garantir boa cristalinidade e morfologia final dos filmes. Desta forma para se obter o tipo de condutividade desejada torna-se necessário remover o excesso de Cu que regra geral existe à superfície do filme sob a forma de fases binárias do tipo Cu2-xS. Essa remoção é conseguida submetendo os filmes a um tratamento químico numa solução de KCN. No Capítulo I é efectuada uma breve descrição histórica sobre a evolução das células solares e o seu estado da arte. No Capítulo II é descrito o seu princípio de funcionamento e a sua estrutura. No Capítulo III é explicada a sequência experimental de modo a elaborar uma célula fotovoltaica. A preparação da camada absorvente CISu, semicondutor tipo-p, foi realizada evaporando enxofre (S) sobre os percursores In/Cu mantidos a uma temperatura de cerca de 450ºC. Posteriormente submeteu-se o filme sulfurizado ao tratamento na solução de KCN. De seguida efectuou-se a deposição de CdS que permitiu a formação do semicondutor tipo n. Por último, foi efectuada a deposição de Óxido de Zinco e a deposição de ITO. O funcionamento das técnicas de caracterização SEM/EDS, difracção de raios-X e espectroscopia Raman utilizadas nesta tese foi explicado brevemente neste capítulo. No Capítulo IV são apresentados os resultados obtidos em termos da composição, morfologia da secção e de superfície dos filmes. Foram ainda analisados e discutidos os resultados obtidos por espectroscopia de Raman e difracção de raio-X dos filmes de CISu. No Capítulo V são apresentadas as principais conclusões do trabalho realizado. No Capítulo VI são identificadas as dificuldades no trabalho e encontradas as soluções para as ultrapassar. No Capítulo VII são sugeridos alguns estudo para um trabalho futuro.

ABSTRACT: In this work a study of the growth and characterization of thin films of CuInS2 (CISu) obtained by sulfurization was carried out. The absorber layer (CISu) was prepared in such a way as to obtain the precursors ratio Cu:In ~1.6. In the Chapter I a brief historical review of the evolution of the solar cells is presented and its state of art. In the Chapter II the solar cell operating principles are also briefly reviewed. In the Chapter III a general description of the experimental techniques used in the course of this work is done. The preparation of the absorber layer CISu, semiconductor type-p, was done by evaporating sulphur (S) on the precursors In/Cu maintained at a temperature of 450ºC inside a tubular furnace. This was followed by the KCN solution treatment. Next a CdS layer was deposited on top of CISu by CBD method. CdS is an n-type semiconductor and forms a heterojunction with the p-type CISu. Finally Zinc oxide and ITO were deposited as the window layer. The several layers mentioned above were characterized by SEM/EDS, X-ray diffraction and Raman spectroscopy hence we briefly describe the operating principles of these techniques. In the Chapter IV the results of the work are presented and discussed in terms of composition, surface and cross-section morphology of the films. The results of the structural characterization by Raman spectroscopy and X-ray diffraction are also presented. In the Chapter V the main conclusions are presented. In the Chapter VI the main difficulties and possible solutions are presented. In the Chapter VII studies for the future work are suggested.