بررسی ویژگی‌های نوری، ساختاری و الکتریکی لایه‌نازکCuInSe2 به روش اسپری گرماکافت با بهینه‌سازی میزان سدیم در ساختار

نویسندگان

1 دانشکده فیزیک- اپتیک ولیزر، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

2 پژوهشکده موادوانرژی، تهران، ایران

3 دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

لایه جاذب، قلب یک سلول خورشیدی است که در عملکرد آن نقش مهمی ایفا می‌کند. در سال‌های اخیر Cu(In,Ga)Se2 به‌عنوان لایه جاذب در سلول های خورشیدی کلکوژنی بسیار موردتوجه بوده است. در این پژوهش از روش لایه‌نشانی ارزان، سریع و با قابلیت تجاری اسپری گرماکافت به‌منظور ساخت لایه‌های CISeاستفاده‌شده است. سپس تأثیر زمان غوطه‌وری نمونه‌ها در محلول حاوی سدیم بر ویژگی‌های الکتریکی، نوری، ساختاری و ریخ‌شاسی لایه‌های اسپری شده بررسی و مقدار بهینه سدیم در ساختار معرفی شده است. آنالیزهای انجام‌شده برای بررسی ویژگی‌های مذکور، شامل الگوی پراش پرتوایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (FESEM) با قابلیت آنالیز عنصری (EDS)، طیف‌سنجی عبوری (UV-Vis)، آنالیز الکتروشیمیایی موت‌شاتکی و اندازه‌گیری منحنی جریان– ولتاژ در تاریکی بوده است. نتیجه‌ها نشان می‌دهد که تغییر زمان غوطه‌وری در محلول و در نتیجه مقدارسدیم در ساختار، بر بلورینگی و ویژگی‌های ریخت‌شناسی لایه‌ها اثرگذار است. لایه‌های به‌دست آمده از زمان غوطه‌وری 15 دقیقه در مقایسه با زمان‌های 5 و 10 دقیقه ریزدانه‌تر بوده و در تصویرهای سطح مقطع عرضی نیز متخلخل هستند. درحالی‌که بهترین بلورینگی و بیش‌ترین تحرک‌پذیری حفره (cm2/V.s1-10 ~) برای نمونه با زمان غوطه‌وری 10 دقیقه به‌دست آمده است. با وجود آن‌که، همه لایه‌ها دارای رسانایی نوع p هستند، چگالی حامل‌های پذیرنده با نفوذ سدیم در ساختار از ­1019~تا
­cm-3­1017 ~ تغییر کرده است. اگرچه، سطح‌های انرژی ساختار نواری با تغییر زمان غوطه‌وری تغییر قابل‌مشاهده‌ای نمی‌کند. البته با تغییر زمان غوطه‌وری گاف انرژی مستقیم از 38/1 تا eV 41/1 تغییر کرده است. به طوری‌که پهن‌شدگی گاف انرژی با مقدار
­ eV 41/1 برای مقدار بهینه سدیم با زمان غوطه‌وری 10 دقیقه قابل‌مشاهده است. به‌طورکلی با توجه به نتیجه‌های به‌دست آمده از این پژوهش می‌توان با بهره‌گیری از مقدارهای بهینه شده سدیم در ساختار سلول خورشیدی از لایه CISe:Na در ساختارهای متفاوت اپتو الکترونیکی بهره برد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of optical, structural and electrical properties of CuInSe2 thin layer by thermal spray pyrolysis method by optimizing the amount of sodium in the structure

نویسندگان [English]

  • maryam hashemi 1
  • fariba tajabadi 2
1
2
3
[1] R.B.K. Jitendra P. Sawant, International Journal of
Engineering Research and General Science 3(2015).
[2] P.R.R. O. P. AGNIHOTRI, R. THANGARAJ,
A.K. SHARMA AND ATUL RATURI, Thin Solid
Films,, 102 (1983) 291-297.
-0.6 -0.3 0.0 0.3
0
1
2
A
2
/C
2
(Cm

/F)
2
E(V vs. Ag/AgCl)
CISe:Na
CIS
CISe
0.00
0.06
0.12
0.18
0.0
0.1
0.2
0.3
شکل 6: نتیجه های موت-شاتکی شامل معکوس مربع ظرفیت خازنی
CN و 10 CIS(e) برای لایه های مختلف )V( برحسب ولتاژ بایاس )C(
97 زمستان ۱۳۹۹ | شماره 4 | سال هفتم
[3] C.W.B. Cammy R. Abernathy, Jr., Anaba A. Anani, Belgacem Haba, and Greg Smestad, Appl. Phys. Lett., 45(8) (1984) 890.
[4] P.K. Davina Moodelly, Piotr Bujak, Adam Pron, Peter Reiss, Journal of Materials Chemistry C, (2019) 1-96.
[5] M.V. M.H. Valdés, Electrochimica Acta 56 (2011) 6866-6873.
[6] C.K. SeJin Ahn, Jae Ho Yun,Jihye Gwak, Sunho Jeong, Beyong-Hwan Ryu, Kyung Hoon Yoon, J. Phys. Chem. C, 114-17 (2010) 8108-8118.
[7] H.-S.K. Ye Seul Lim, Jeunghyun Jeong,Jin Young Kim, Honggon Kim, Min Jae Ko, a.D.-K.L. Unyong Jeong, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6 (2013) 259-267.
[8] C.M. N.Suriyanarayanan, Materials Science and Engineering: B, 176(5) (2011) 417-424.
[9] K.S.r. T.Logu, P. Soundarrajan, J. Archana, Y. Hayakawa, K. Sethuraman, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 122 (2016) 230-240.
[10] N.J.N. KamounAllouche, C. Guasch, N. Kamoun Turki, Journal of Alloys and Compounds, 501 (2010) 85-88.
[11] N.S.C. Mahendran Optik, 124 (2013) 5089– 5094.
[12] E.U.E. Aydin, N.D. Sankir, Energy Technologies, (2014) 13-15.
[13] G.M.F. Qijie Guo, Hugh W. Hillhouse,and Rakesh Agrawal, Nano letter, 9 (2009) 3060-3065.
[14] O.G. Qing Cao, Matthew Copel, Kathleen B. Reuter, S. Jay Chey, Vaughn R. Deline, and David B. Mitzi, Adv. Energy Mater., 1 (2011) 845-885.
[15] V.M.S.-R. J.M.Peza-Tapia, M.L.Albor-Aguilera,J.J.Cayente-Romero,L.R.De León-Gutiérrez,M.Ortega-López, Thin Solid Films, 490 (2005) 142-145.
[16] J.H. Lars Stolt, John Kessler, Martin Ruckh, KarlOtto Velthaus, Appl. Phys. Lett., 62 (1993) 597-599.
[17] D. Rudmann, Materials Science, ETH Zürich, 2004.
[18] S.U. Liam M. Welch, Mustafa Togay, Vincent Tsai,, (2019).
[19] S.L. Yun Sun, Wei Li, Shiqing Cheng, Yunxiang Zhang, Yiming Liu, Wei Liu, Engineering, 3 (2017) 452-459.
[20] E.A. Susanne Siebentritt, Marcus Bär, Jakob Bombsch, Adv. Energy Mater., 1903752 (2020) 1-15.
[21] T.S. Willi Kogler, Erik Ahlswede, Michael Powalla, Solar Energy Materials and Solar Cells 200 (2019) 109959.
[22] E.A. Susanne Siebentritt, Marcus Bär, Jakob Bombsch, Emilie Bourgeois,, Adv. Energy Mater., 1903752 (2020) 1-15.
[23] S.-B.X. Ya-QiongWang, Jian-Guo Deng and, L.-Z. Gao, Soc. open sci., 4 (2017) 170980.
[24] Y. Hamakawa, Thin-Film SolarCells:Next Generation Photovoltaics and Its Applications, Springer, 2004.
[25] G.M.F. Qijie Guo, Rakesh Agrawal and Hugh W. Hillhouse, PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS, (2012) 1-8.
[26] E.S.M.X.W.M.A. Alam, Journal of Photovoltaics 3(2013) 451-456.
98 زمستان ۱۳۹۹ | شماره 4 | سال هفتم
[27] N.-F.W. Yu-Song Cheng, Yu-Zen Tsai, Jia-Jun Lin,and Mau-Phon Houng, Journal of Solid State Science and Technology, (2017) 221-226.
[28] S.R. M. Mazzer, G. Spaggiari, F. Annoni, D. Bersani, F. Bissoli, M. Bronzoni, E.G. M. Calicchio, A. Kingma, F. Pattini, E. Gilioli, Solar Energy Materials & Solar Cells, 166 (2017) 247-253.
[29] T.N.Y.H.T.T.D. Ohmori, 3rd World Conference onPhotovoltaic Energy Conversion, IEEE, Osaka, Japan, 2003.
[30] F.P. Nicholas Cavallari, Stefano, F.A. Rampino, Mario Barozzi, Matteo Bronzoni, E.G. Edmondo Gilioli, Carlo Maragliano, Massimo, G.P. Mazzer, Giulia Spaggiari, Roberto Fornari, Applied Surface Science, 412 (2017) 52-57.
[31] A.A. Attia, Solar Energy, 24 (2001) 235-244.
[32] A.B.L. Djellal, M. Trari, Materials Chemistry and Physics 109 (2008) 99-104.
[33] M.A.H.K.-L.C. Mingqing Wang, SCientifiC Reports, 7 (2017) 6788.
[34] D.T. Valérie Deprédurand, Yasuhiro Aida, Miriam Carlberg, Nicole Fèvre, and Susanne Siebentritt, Journal of Applied Physics 115 (2014) 044503.
[35] D.C.F. Werner, M. Melchiorre, N. Valle, B. El Adib, C. Spindler, and S. Siebentritt, Journal of Applied Physics 119 (2016) 173103.
[36] S. Siebentritt, Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry 4(2017) 1-7.
[37] A.M.P.H.D. Shelke, A.C. Lokhande, J.H. Kim, C.D. Lokhande, International Journal of Engineering Research and Technology, 10 (2017) 0974-3154.
[38] X.Z. Jinman Yang, Zhao Mo, Jianjian Yi, Jia Yan, Jiujun Deng,, Y.S. Yuanguo Xu, Junchao Qian, Hui Xu and Huaming Li, Inorg. Chem. Front., 5 (2018) 3163.
[39] M.M. Azam Khorasani, Rouhollah Khosroshahi, Mahdi Malekshahi, M.d. Byranvand, Azam Iraji zad, Fariba Tajabadi and Nima Taghavinia, Article in ACS Applied Materials & Interfaces (2019).