Effect of Increasing Concentrations on Sprayed Cu2ZnSnS4 Thin Films

Abstract

Спрей-піроліз – це проста техніка, що використовується для виробництва великих тонких плівок. У роботі ми повідомляємо про виготовлення тонких плівок Cu2ZnSnS4 (CZTS) методом спрей-піролізу на скляних підкладках з використанням різних водних розчинів. Отже, ми вирішили змінювати концентрації аніонів (S) та катіонів (Cu, Zn, Sn). Метою цього вибору є аналіз EDX, щоб відсоток міді був ближче до 25 %; з іншого боку, цинк і олово складають близько 12.5 %, а сірка – 50 %. Структурний та хімічний склад, морфологічні та оптичні властивості тонких плівок CZTS досліджували за допомогою рентгенівської дифракції (XRD) та Раманівської спектроскопії, енергетично-дисперсійного рентгенівського аналізу (EDAX), скануючої електронної мікроскопії (SEM) та атомно-силової мікроскопії (AFM) та спектроскопічного аналізу в ультрафіолетовому та видимому діапазонах відповідно. Рентгенівська дифракція показала утворення кестеритової структури з домінуючими піками в напрямках (112), (220) та (312). Раманівська спектроскопія підтвердила наявність внутрішньої напруги стиску в тонких плівках CZTS. Аналіз EDX показав кращу стехіометрію при оптимізації концентрацій прекурсора. Тонкі плівки CZTS демонстрували низьку оптичну пропускну здатність та оптичне поглинання вище 5×104 см – 1, завдяки чому тонкі плівки CZTS, підготовлені методом спрей-піролізу, підходять для сонячних батарей CZTS.

Spray pyrolysis is a simple and low cost technique used for large thin films fabrication. In this paper, we reported the preparation of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films with spray pyrolysis on glass substrates using different aqueous solutions. So, we chose to vary anions (S) and cations (Cu, Zn, Sn) concentrations. The purpose of this choice is the EDX analysis so that the percentage of copper is closer to 25 %; on the other hand, zinc and tin are around 12.5 % and sulfur at 50 %. The structural, chemical composition, morphological and optical properties of CZTS thin films were investigated using X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy, energy dispersive X-ray analysis (EDAX), scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM), and UV-visible spectroscopy analysis, respectively. The X-ray diffraction showed the formation of kesterite structure with dominant peaks along (112), (220) and (312) directions. Raman spectroscopy confirmed the existence of internal compressive stress in the CZTS thin films. The EDX analysis showed a better stoichiometry when optimizing the precursor concentrations. CZTS thin films showed low optical transmission and optical absorbance higher than 5×104 сm–1, which make the CZTS thin films prepared by spray pyrolysis technique suitable for CZTS solar cells.