بررسی خواص نوری، ساختاری و الکتریکی لایه نازک In2S3 به روش اسپری گرماکافت تحت تاثیر دما و نمک ایندیوم

نویسندگان

1 دانشکده فیزیک-اپتیکولیزر،دانشگاه کاشان،کاشان،ایران

2 پژوهشکده علوم و فناوری نانو،دانشگاه صنعتی شریف،تهران،ایران

3 پژوهشکده علوم وفناوری نانو،دانشگاه صنعتی شریف،تهران،ایران

4 دانشکده فیزیک،دانشگاه صنعتی شریف،تهران،ایران

چکیده

لایه انتقال دهنده الکترون ETL ، نقش اساسی درکارایی سلول خورشیدی ایفا می‌کند. درسال های اخیر In2S3 به عنوان ETL درسلول های خورشیدی لایه‌نازک CZTS,Se ,CIGS,Se و پروسکایتی موردتوجه بوده است. لذا در این پژوهش از روش ارزان اسپری گرماکافت به منظور ساخت لایه‌های In2S3 استفاده گردیده است. سپس تاثیر دما و نوع نمک ایندیوم بر ویژگی‌های الکتریکی، نوری، ساختاری و مورفولوژی لایه‌های In2S3 اسپری شده بررسی شده است. برای این منظورازطیف سنجی‌های شناسایی شامل پراش اشعه ایکس XRD، میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی FESEM با قابلیت آنالیزعنصری EDS ، طیف سنجی عبوری UV-Vis ، آنالیز الکتروشیمیایی موت شاتکی و مقاومت سنجی به روش پروب چهارنقطه ای استفاده شده است . بنابرنتایج حاصل ، تغییر پیش‌ماده ایندیوم نمک کلریدی، نیتراتی و استاتی بر بلورینگی و ویژگی‌های مورفولوژیکی اثرگذار است. لایه‌های حاصل از نمک استات ایندیوم درمقایسه با دو پیش ماده دیگر بشدت متخلخل هستند. درحالی که بهترین بلورینگی و کمترین مقاومت الکتریکی صفحه‌ای با پیش‌ماده کلریدی بدست آمده است . بعلاوه مقدار مقاومت صفحه‌ای با افزایش دمای لایه‌نشانی بطورقابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. اگرچه لایه‌های In2S3 همگی دارای رسانایی نوع n و گاف انرژی غیرمستقیم eV2 ~هستند اما سطوح انرژی ساختار نواری باتغییرپیش ماده ایندیم تغییر می‌کند.ازطرفی، چگالی حامل‌های اکثریت الکترون نیز از cm-3 1017 × 1/ 2 تا cm-3 1019 × 9/2 باتغییردماونوع پیش ماده قابل تغییراست . بیشترین میزان چگالی حامل‌ها مربوط به لایه‌های حاصل از پیش‌ماده استاتی در دمای °C 420 است.

کلیدواژه‌ها


[1]Purvesh Sonia, Mohit Raghuwanshia, Roland Wuerzb, Birger Berghoffc, Joachim Knochc, O.C.-M. Dierk Raabed,“ Role of elemental intermixing at the In2S3/CIGSe heterojunction deposited using reactive RF magnetron sputteringˮ, Solar Energy Materials and Solar Cells, 195, 367-375,2019.
[2]K.D. Yayun Zhu, Haoxuan Sun, Bangkai Gu, Hao Lu, Fengren Cao, Jie Xiong, and Liang Li, “TiO2Phase Junction Electron Transport Layer Boosts Efficiency of Planar Perovskite Solar Cellsˮ, Adv. Sci. ,5,170-179, 2018.
[3]Y.G. Liangbin Xiong, Jian Wen, Hongri Liu, Guang Yang, Pingli Qin, and Guojia Fang, “Review on the Application of SnO2in Perovskite Solar Cellsˮ, Adv. Funct. Mater., 27-57 , 2018.
[4]J.O. Wendy J Nimens, Anna Caruso, Mackenzie Jonely, Charles Simon,, R.N. Detlef-M. Smilgies, Michael A. Scarpulla, and Luisa Whittaker-Brooks, “Morphology and optoelectronic variations underlying the nature of the electron transport layer in perovskitesolar cellsˮ, ACS Appl. Energy Mater.,178,65-74,2018.
[5]R.A.YanpengFu,TristanKöhler,MartinKrüger,AlexanderSteigert, IverLauermann,MarthaCh.Lux-Steiner,Christian-HerbertFischer , “Spray-ILGAR ZnSn anodots /In2S3as defect passivation /pointcontact bilayer buffer for Cu(In,Ga)(S,Se)2solar cells”, Solar Energy Materials & Solar Cells, 117,293-299,2013.
[6]N.N.Hubert,A.Etcheberry,O.Roussel,D.Hariskos,M.Powalla, O. Kerrec,D.Lincot, “A better understanding of the growth mechanism of Zn(S, O,OH) chemical bath deposited buffer layers for high efficiency Cu(In,Ga)(S,Se) (2)solar cells”, Applications and Materials Science, 205, 2335-2339,2008.
[7]B.F.D.Hariskos,R.Menner,N.Naghavi,C.Hubert,D.Lincot,M.Powalla, “The Zn(S,O,OH)/ZnMgO buffer in thin-film Cu(In,Ga)(Se,S)2-based solar cells PartII : magnetron sputtering of the ZnMgO buffer layer for in-line co-evaporated Cu(In,Ga)Se2solar cellsˮ, Progress in Photovoltaics : Research and Applications, 17, 479-488,2009.
[8]J.Y. Zongyan Zhao, Dacheng Zhou, “Density functional theory study the effects of point defects in b-In2S3ˮ, Materials Science ,73 ,139-145 , 2013.
[9]P.P. Revathi N, Ramakrishna Reddy KT., “Synthesis and physical behaviour of In2S3filmsˮ, Applied Surface Science, 254, 5291-8, 2008.
[10]N. Barreaua, C. Deudonb, A. Lafondb, S. Galla, J. Kesslera, “A study of bulk NaxCu1-xIn5S8andits impact on the Cu(In,Ga)Se2/In2S3interface of solar cellsˮ, Solar Energy Materials & Solar Cells, 90, 1840-1848,2006.
[11]G.S. David, P. McMeekin, W. Rehman, G.E. Eperon, M.Saliba, M.T. Hörantner, A.Haghighirad, N.Sakai, L. Korte, B. Rech, M. B. Johnston, L.M. Herz, H.J. Snaith, “A mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cellsˮ, science,5,110-118,2016.
[12]Q.Z. Jiang, L.Wang, H.Yang, X.Meng, J. Liu, H.Yin, Z.Wu, J.Zhang, X.You, Jingbi, “Enhanced electron extraction using SnO2for high-efficiency planar-structure HC(NH2)2PbI3-based perovskite solar cellsˮ, NATURE, 2, 16177 ,2017.
[13]S. Eun. J. Yeom, W. S. Yang, S. J. Lee, W. Yin, D. Kim, J.H. Noh, T. K. Ahn and S. Seok, “Controllable synthesis of single crystalline Sn-based oxides and their application in perovskite solar cellsˮ, J. Mater. Chem. A, 5,79-86, 2017.
[14]M.J. Qin M, Ke W, Qin P, Lei H, Tao H, Zheng X, Xiong L, Liu Q, Chen Z, Lu J, Yang G, Fang G, “Perovskite Solar Cells Based on Low-Temperature Processed Indium Oxide Electron Selective Layersˮ, ACS Appl Mater Interfaces, 13, 8460-6 2016.
[15]Z.M.A.-G. M.A. Ahmed, H.A.A. Medien, M.A. Hamza, “Effect of porphyrin on photocatalytic activity of TiO2 nanoparticles toward Rhodamine B photo degradationˮ,Photo chemistry & Photobiology, B: Biology, 122, 2017.
[16]H.A. Himanshu Narayan, “A Comparison of Photocatalytic Activity of TiO2 Nanocomposites Doped with Zn2+/Fe3+and Y3+Ionsˮ, Int. J. Nanosci. Nanotechnol., 13, 315-325,2017.
[17]D.D. R. Verma, A. Chirila, D. Gettler, J. Perrenoud, F. Pianezzi, U. Meller, S. Kumar, A. N. Tiwari, J, “The study of surface photoconductive response in indium sulfide crystalsˮ, Appl. Phys., 108, 2010.
[18]A.Timoumi, N. Bouguila, M. Chaari, M. Kraini,A. Matoussi, H. Bouzouita, “Electrical and dielectric properties of In 2S3 synthesized by solid state reactionˮ, Journal of Alloys and Compounds,129,2016.
[19]D.S. Hariskos, S.; Powalla, M., “Buffer Layers in Cu(In,Ga)Se2Solar Cells and Modulesˮ, Thin Solid Films,480, 99-109,2005.
[20]N.S.M. S. Marsillac , V. Gade , S.V. Khare “Structural and electronic properties of β-In2X3(X=O, S, Se, Te) using ab initio calculationsˮ, Thin Solid Films ,519, 5679–5683, 2011.
[21]J.K.R.SáezAraoz,S.Harndt,T.Koehler,M.Krueger,P.Pistor,A.Jasenek,F.Hergert,M.C.LuxSteiner,C.-H.Fischer, “ILGARIn2S3 buffer layers for Cd-free Cu(In,Ga)(S,Se)2solar cells with certified efficiencies above 16%ˮ, Prog.Photovolt.Res.Appl, 20, 855-861,2012.
[22]J.W. Zhe Xu, Yuqian Yang, Zhang Lan, Jianming Lin, “High Efficiency Planar Hybrid Perovskite Solar Cells Using Indium Sulfide as Electron Transport Layer”, ACS Appl. Energy Mater., 367-379,2018.
[23]B. Raj Mohameda, L. Amalraj,“ Effect of precursor concentration on physical properties of nebulizedspray deposited In 2S3th in filmsˮ, Journal of Asian Ceramic Societies, 4 , 357-366,2016.
[24]M.M. Angel Susan Cherian, C. Sudha Kartha, K.P. Vijayakumar, “Role of chlorine on the opto-electronic properties of β-In2S3th in filmsˮ, Thin Solid Films 518 , 1779-1783,2010.
[25]A.N. Thierno Sall, B.M. Soucase, M. Mollar, B.Hartitti, M.Fahoume ,“Synthesis of In2S3thin films by spray pyrolysis from precursors with different [S]/[In] ratiosˮ, J. Semicond ,35, 2014.
[26]T.T. John, K.P. Vijayakumar, Y.K. T. Abe, “Preparation of indium sulfide thin films by spray pyrolysis using a new precursor indium nitrate”, Applied Surface Science, 2, 1360-1367,2005.
[27]S.B.X. Ya-QiongWang, J.G. Deng, L.-Z. Gao, “Enhancing the efficiency of planar heterojunction perovskite solar cells via interfacial engineering with 3-aminopropyl trimethoxy silane hydrolysateˮ, Soc. open sci., 4 , 117980 , 2017.
[28]A.T.-S. M. Calixto-Rodrigueza, A. Ortizc, A. Sanchez-Juareza, “Optoelectronical properties of indium sulfide thin films prepared by spray pyrolysis for photovoltaic applications”, Thin Solid Films, 480, 133-137,2005.
[29]F. Liu, J.Yanga, M. Hao, Z. Tong, L.Jiang, Z. Wu,“ MoS2 nanodots decorated In 2S3 nanoplates: a novel hetero junction with enhanced photoelectrochemical performance”, Chem. Commun., 10, 1-3,2015.
[30]M.R. T. Asikainen, M. Leskelti,“ Growth of In,S, thin films by atomic layer epitaxyˮ, Applied Surface Science, 122-125,1904.
[31]M.S.W. Robert, F. McCarthy, J. D. Emery, A.S. Hock, A.B.F. Martinson, “Oxygen-Free Atomic Layer Deposition of Indium Sulfide”, ACS Appl.Mater. Interfaces ,6 ,12137−12145, 2014.
[32] X.T.Y.W.Y.S.J.H.B.C.J.L.Z.Y. Ming Li1, Y. Zhang,“ Highly Enhanced Visible-Light-Driven Photoelectrochemical Performance of ZnO-Modified In2S3Nanosheet Arrays by Atomic Layer Depositionˮ, Nano-Micro Lett.,151, 2018.
[33]N.H. Naghavi, R.; Laptev, V.; Lincot, D. , “Growth Studies and Characterisation of In2S3Thin Films Deposited by Atomic Layer Deposition (ALD)ˮ,Appl. Surf. Sci. ,222, 65-73,2004.
[34]L.X. L. Wang, Y. Wu, Y. Tian,“ Zr-doped b-In 2S3 ultrathin nanoflakes as photoanodes: enhancedvisible-light-driven photoelectrochemical water splitting”, ACS Sustain. Chem. Eng., 4, 2606–2614, 2016.
[35]J.L. Lee, J. Ahn, B. Kim, “Structural and Optical Properties of β-In2S3and β-In2S3:CO2+Films Prepared on Indium-Tin-Oxide Substratesˮ, J. Korean Phys. Soc., 53, 3255−3261,2008.