Síntesis y caracterización óptica y estructural de películas delgadas de Cu_2 ZnSnS_4 crecidas por PVD (Physical Vapor Deposition) método de coevaporación

Abstract

En este trabajo se hicieron aportes significativos en la síntesis y estudio de propiedades de películas delgadas del compuesto Cu2ZnSnS4 (CZTS) con propiedades estructurales, ópticas y eléctricas, adecuadas para ser usadas como capa absorbente en celdas solares; la síntesis del CZTS se realizó usando una ruta de síntesis novedosa basada en la co-evaporación de los precursores metálicos (Cu, Zn y Sn) en atmosfera de azufre. La co-evaporación de los precursores se realizó usando una fuente con geometría coaxial con un diseño innovador que constituye uno de los principales aportes de este trabajo. El diseño de la fuente de evaporación coaxial permitió solucionar dificultades de homogeneidad en el espesor y en composición estructural de las películas delgadas de CZTS depositadas usando fuentes de evaporación separadas, que es el método generalmente usado. Se encontraron condiciones óptimas de crecimiento de películas delgadas de CZTS mediante un estudio del efecto de parámetros de síntesis (temperatura de sustrato, temperatura de recocido y relación de masas evaporadas de los precursores) sobre la fase, propiedades ópticas, eléctricas y estructurales mediante correlación de dichos parámetros con resultados de caracterización, usando técnicas tales como: espectrofotometría UV-VIS- NIR, difracción de rayos-x (XRD), espectroscopia Raman y medidas de conductividad en dependencia de la temperatura. Se hizo especial énfasis en el estudio de la influencia que las condiciones de síntesis tienen sobre fase cristalina, propiedades estructurales y de transporte eléctrico. La caracterización estructural y la identificación de la fase Cu2ZnSnS4 y de fases secundarias se realizó a través de medidas de XRD y espectroscopia Raman y las propiedades micro-estructurales se fueron evaluadas con ayuda de la ecuación de Williamson-Hall a partir de datos obtenidos de los espectros de XRD, así como también a partir de medidas de la energía de Urbach, determinada mediante cálculo del coeficiente de absorción cerca del borde de la brecha de energía prohibida. Las propiedades de transporte eléctrico del CZTS se estudiaron a través de medidas de conductividad (σ) en dependencia de la temperatura y ajuste teórico de la curva de σ vs T asumiendo modelos de transporte conocidos.

Abstract: In this work, significant contributions were done regarding the synthesis and study of optical, electrical and structural properties of CZTS thin films grown with suitable properties to be used as absorber layer in solar cells. The synthesis of CZTS films were performed using a novel route based in co - evaporation of th e metallic precursors in sulfur atmosphere. The co - evaporation of precursors was made using a source with coaxial geometry of advanced design, which is one of the main contributions of this work. The design of the coaxial source allowed giving solution to difficulties of inhomogeneity in thickness and chemical composition of CZTS films deposited using separate evaporation sources which is the method generally used. Optimum conditions were found to grow CZTS films through a study of the influence of deposit ion parameter (substrate temperature, annealing temperature and evaporated mass ratio) on the phase and optical, electrical and structural properties, by means of a correlation of studied parameters with results of characterization performed using techniqu es such as x - ray diffraction (XRD), spectrophotometry UN - VIS - NIR, Raman spectroscopy and measurements of conductivity in dependence of temperature. Special emphasis was done in studying the influence of the deposition conditions on the phase and structural and electrical transport properties. The structural characterization and phase identification was carried out through XRD and Raman spectroscopy measurements and the microstructural properties were evaluated with the help of the Williamson - Hall equation u sing data obtained from XRD spectra, as well as from measurements of the Urbach energy determined from the calculation of the absorption coefficient close to the border of the energy band gap. The electrical transport properties of the CZTS films were studied from measurements of the conductivity σ in dependence of the temperature and theoretical fitting of the σ vs T curves assuming known electrical transport models.