CuIn1-xGaxSe2 tabanlı fotovoltaik ince filmlerinin üretilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Bakır indiyum galyum diselenid (CuInxGa1-xSe2) ince filmlerinnin ardışık elektrodepozisyonu ITO kaplı cam alttaşlar üzerine sulu çözeltilerde potansiyostatik yöntemle gerçekleştirilmiştir. Cu–Ga–S (CGS) and Cu–In–S (CIS) öncü ince filmlerinin ITO alttaşlar üzerine elektrodepozisyon mekanizmaları da dönüşümlü voltammetri yöntemi ile araştırılmıştır. Dönüşümlü voltammetri çalışmaları tekli Cu, Ga, S, In ve Se sistemleri, ikili Cu–S, G–S ve Cu–Ga sistemleri, üçlü Cu–Ga–S ve Cu–In–S sistemleri için yapılmıştır. Cu–Ga–S öncü filmlerinin birlikte depozisyonunda GaCl3 konsantrasyonun etkisi detaylı olarak incelenmiştir. En yüksek Ga elemental bileşen oranına sahip CGS öncü filmi 20 mM GaCl3 içeren çözeltiden depozite edilmiştir. Bu film 1,7 eV enerji bant aralığına ve 2,32x1016 cm-3 taşıyıcı konsantrasyonuna sahiptir. En uygun depozisyon potansiyelinin belirlenmesi amacıyla Cu–In–S öncü ince filmlerinin birlikte elektrodepozisyonu farklı potansiyellerde gerçekleştirilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı x-ışını (EDX) analizleri -0,9 V'ta depozite edilen CIS öncü filminin %15,82 Cu, %41,45 In ve %42,73 S ile en iyi elemental bileşim oranına ve yaklaşık 0,4 μm tanecik boyutları ile düzgün yüzey yapısına sahir olduğunu göstermiştir. Cu/In/Cu/Ga/Cu/Se katmanlı yapıları farklı sıcaklıklarda (250 °C – 550 °C) tavlanmışlardır. Taramalı elektron mikroskobu analizlerinden CIGS ince filmlerin tavlama sıcaklıklarına bağlı olarak farklı yüzey özelliklerine sahip oldukları görülmüştür. EDX analizleri, tavlama sıcaklığı arttıkça CIGS ince filmlerdeki Se elemental bileşen oranının %46,99'dan %14,84'e düştüğünü göstermiştir. XRD analizlerine göre 550 °C'de tavlanan CIGS ince filmin sitokiyometrik CuGa0,6In0,4Se2 fazına sahip olduğu görülmüştür. CIGS ince filmlerin enerji bant aralıkları 1,41 eV ile 2,19 eV arasında değişim göstermektedir. Depozite edilen CIGS filmleri ~1016 cm-3 taşıyıcı konsantrasyonuna sahiptirler. Hall etkisi ölçümleri CGS, CGS ve CIGS filmlerinin p–tipi yarıiletken özelliklere sahip olduklarını göstermiştir.

Sequential electrodeposition of copper indium gallium diselenide (CuInxGa1-xSe2) thin films on ITO coated glass substrates was carried out by potentiostatic method in aqueous solutions. The electrodeposition mechanism of Cu–Ga–S (CGS) and Cu–In–S (CIS) precursor thin films on ITO substrates has also been investigated using cyclic voltammetry technique. The cyclic voltammetry study was performed in unitary Cu, Ga, S, In and Se systems, binary Cu–S, Ga–S and Cu–Ga systems, ternary Cu–Ga–S and Cu–In–S systems. The effect of Ga concentration on the properies of codeposition of Cu–Ga–S precursor films has been investigated in detail. The CGS precursor film with the biggest Ga concentration has been deposited in the bath containing 20 mM GaCl3. This film has an energy band gap of 1.7 eV and a carrier concentration of 2.32x1016 cm-3. The codeposition of Cu–In–S precursor thin films was caried out at diferent potentials to determine the optimal deposition potential. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive x-rays (EDX) analysis shows that the CIS precursor film deposited at -0.9 V has the best elemental composition rates of %15.82 Cu, %41.45 In and %42.73 S, and a good morphology with approximately 0.4 μm grain size. The Cu/In/Cu/Ga/Cu/Se stacked layers were annealed at different temperatures (250 °C – 550 °C). From scanning electron microscopy, it was found that CIGS thin films exhibited different surface morphologies depending on annealing temperature. EDX analysis showed that elemental ratio of Se in CIGS films decreased from 46.99 to 14.84 (%), as annealing temperature was increased. XRD analysis showed that the CIGS film annealed at 550° had CuGa0.6In0.4Se2 stoichiometric phase. Energy band gap of the CIGS films vary between 1.41 and 2.19 eV. Deposited CIGS thin films have carrier concentration of ~1016 cm-3. Hall–effect measurements showed that CGS, CIS and CIGS films had p–type semiconductor conductivity.