Inexpensive Optimized Cu2ZnSnS4 Absorption Layer Elaborated with a Homemade SILAR Method

Abstract

У цьому дослідженні тонкі плівки Cu2ZnSnS4 (CZTS) були синтезовані на скляних підкладках за допомогою саморобного методу адсорбції та реакції послідовного іонного шару (SILAR). Хлорид міді (II) (CuCl2), хлорид цинку (II) (ZnCl2), хлорид олова (II) (SnCl2) використовували як катіонні прекурсори, а тіосечовину (CS(NH2)2) – як аніонні. Деіонізована (DI) вода була взята як розчинник для обох прекурсорів. До обох розчинів додавали кілька крапель аміаку, щоб забезпечити адсорбцію на скляній підкладці. Нанесені плівки були відпалені при 200 °C протягом 1 години в атмосфері повітря та досліджені методом рентгенівської дифракції (XRD), скануючої електронної мікроскопії (FESEM), атомно-силової мікроскопії (AFM), спектрофотометрії та діелектричної спектроскопії. Установлено утворення фази кестериту з переважною орієнтацією вздовж площини (112). Морфологічні спостереження за SEM та AFM показали рівномірний і однорідний тонкий шар CZTS. Оптичні властивості, отримані за допомогою аналізу УФ-видимого діапазону, показали, що CZTS має пряму заборонену зону 1,5 еВ у видимому діапазоні, що є близьким до типових значень ідеального поглинаючого шару. Вимірювання діелектричного опору показало, що тонка плівка CZTS представляє адсорбцію на нижніх частотах радіочастотного домену, яка зумовлена атомними коливаннями в кристалічній решітці. Отриманий CZTS має потенціал, щоб служити надійною, економічною та екологічно чистою альтернативою нестабільним, дорогим і токсичним шарам поглинача для фотоелектричних застосувань.

In this study, Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films were synthesized on glass substrates by using homemade successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) method. Copper (II) Chloride (CuCl2), Zinc (II) Chloride (ZnCl2), Tin (II) Chloride (SnCl2) were used as a cationic precursors and Thiourea (CS(NH2)2) was used as precursor for anions. De-ionized (DI) water was taken as the solvent for both precursors. Few drops of ammonia were added to both solutions in order to ensure the adsorption on the glass substrate. The deposited films were annealed at 200 °C for 1 h in air atmosphere and characterized by X-rays diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM), atomic force microscopy (AFM), ultraviolet-visible (UV-Vis) spectrophotometry and dielectric spectroscopy. The structural characterization using XRD revealed the formation of the kesterite phase with preferential orientation along (112) plane. Morphological observations from SEM and AFM exhibited uniform and homogenous CZTS thin layer. Optical properties derived from UV-Vis analysis showed that CZTS has a direct band gap of 1.5 eV in the visible range which is close to typical values of an ideal absorber layer. Dielectric impedance measurements showed that CZTS thin film presents an adsorption in the lower frequencies of RF domain which is due to the atomic vibrations in the crystal lattice. The obtained CZTS has the potential to serve as a reliable, economical, and environment-friendly alternative to unstable, expensive and toxic absorber layers for photovoltaic applications.