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


عنوان مقاله [English]

pages | 2| Issue7volume|2020Summer harif.edumghorashi@kashanu.ac.irtaghavinia@s: *Correspondent Author26-35Investigation of the Optical, Structural and electrical properties of In2S3thin films prepared by spray pyrolysis by changing indium salts under different temperatures

نویسندگان [English]

  • Maryam Hashemi 1
  • Seyed Mohammad Bagher Ghorashi 1
  • Maryam Heydariramshe 2
  • Nima Taghavi Nia 3 4
  • Seyed Mohamad Mahdavi 3 4
چکیده [English]

The Electron transport layer ETL plays an essential role in the solar cell Performance. In recent years, In2S3 has been used as ETL in photovoltaics such as CZTS, Se, CIG S, Se and Perovskite thin film solar cells. In this study, the easy and inexpensive spray pyrolysis method was used to fabricate In2S3 layers. The effect of indium salt type on the electrical, optical, structural and morphological characteristics of the as-sprayed In2S3 layers was investigated. Regarding this target, the Characterization techniques including X-ray diffraction XRD, Field emission electron microscopy FESEM equipped with elemental analysis EDS, UV-Vis spectrophotometer, Mott Schottky electrochemical analysis and four-point probe resistance analysis were used. The indium source chloride, nitrate and acetate salts has strong influence on the crystallinity and morphological properties. The layers resulted from precursor including indium acetate salt, are highly porous compared to the other two precursors. Whereas, the best crystallinity and lowest electrical surface resistivity by using the chloride salt were obtained. In addition, the surface resistance decreases dramatically with increasing substrate temperature. Although the prepared In2S3 layers all have n-type conductivity and indirect band gap of ~2 eV, the energy levels of the band structure varies by changing the Indium salt. The density of the majority carriers electrons also varies from 2.1 × 1017 cm-3 to 2.9 × 1019 cm-3. The highest carrier density is related to the sprayed layers at 420 °C consuming Indium acetate salt.

کلیدواژه‌ها [English]

  • In2S3
  • Electron transport layer (ETL)
  • Spray pyrolysis
  • Solar Cell
[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.