A Comparative Study on the Optoelectronic Performance of Undoped, Mg-doped and F/Mg Co-doped ZnO Nanocrystalline Thin Films for Solar Cell Applications

Abstract

У роботі повідомляється про розробку та характеристики нанокристалічних тонких плівок оксиду цинку (ZnO), нанесених на скляні підкладки методом спрей-піролізу. Досліджено вплив легування 1 % Mg та спільного легування 6 % F/x % Mg (x = 1, 2 and 3) на структурні, морфологічні, оптичні та електричні властивості отриманих плівок. Структурна характеризація показує, що всі нанесені шари є полікристалічними з гексагональною структурою типу вюрцит, оскільки фіксується більш інтенсивний пік відносно піку (002), який розташований поблизу 34,13°, без жодної іншої фази. Виміряні контактні кути становлять більше 90° для чистих, легованих та спільно легованих 6 % F/1 % Mg плівок, що підтверджує гідрофобний характер, тоді як інші спільно леговані плівки (6 % F:2 % Mg та 6 % F:3 % Mg) мають гідрофільний характер при значеннях контактного кута < 90°. Більш високе значення коефіцієнта пропускання 86,47 %, широка заборонена зона 3,53 еВ і менша ступінь розупорядкування (330,03 меВ) спостерігаються для плівки, спільно легованої 6 % F:1 % Mg. Спільне легування 1 % Mg значно покращує електропровідність (σ = 0,030 (Ω.см) – 1). Результати свідчать про те, що спільно леговану плівку ZnO (6 % F, 1 % Mg) можна використовувати як віконну плівку в тонкоплівкових сонячних елементах.

This work reports on the development and characterization of Zinc Oxide (ZnO) nanocrystalline thin films deposited on glass substrates by spray pyrolysis method. The effect of 1 % Mg-doping and 6 % F/ x % Mg co-doping (x = 1, 2 and 3) on the structural, morphological, optical and electrical properties of the films obtained is studied. The structural characterization shows that all the deposited layers are polycrystalline with a hexagonal wurtzite-type structure due to the existence of a more intense peak relative to the (002) peak, located around an angle of 34.13° with no other phase detected. The measured contact angles are more than 90° for pure, doped and 6 % F/1 % Mg co-doped films prepared, which confirms the hydrophobic character, while other co-doped films (6 % F:2 % Mg and 6 % F:3 % Mg) show the hydrophilic character at values of the contact angle < 90°. A higher transmittance value of 86.47 %, a wide band gap of 3.53 eV and lower disorder (330.03 meV) are observed for the 6 % F:1 % Mg co-doped film. Co-doping with 1 % Mg considerably improves the electrical conductivity (σ = 0.030 (Ω.cm) – 1). The results suggest that the co-doped ZnO film (6 % F, 1 % Mg) can be used as a window film in thin film solar cells.