Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/45504

TitleDeposition and characterization of CdS and ZnO:Al thin films for Cu(In,Ga)Se solar cells
Author(s)Salvador, Paulo Miguel Babo Cunha
Advisor(s)Alpuim, P.
Sadewasser, Sascha
KeywordsSemiconductors
Thin film solar cells
CdS buffer
ZnO:Al TCO
CIGS
Semicondutores
Células solares de filmes finos
ZnO:Al óxido condutor e transparente
Issue date4-Jan-2017
Abstract(s)The purpose of this thesis is to establish a baseline methodology for the optimized deposition of CdS thin films by chemical bath deposition (CBD) and ZnO:Al thin films by atomic layer deposition (ALD), for the development of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) solar cells at INL facilities. A background research on several optimized parameters is presented and taken in consideration for both layers’ growth methodologies. A detailed study on how the chemical bath deposition parameters affect the properties of the resulting CdS thin film is made. The reproducibility of CdS layers with thickness 50-70 nm is successfully shown. The studied parameters that were found to heavily affect the deposition were: i) the bath temperature; ii) the pH (indirectly, through the amount of ammonia); iii) the deposition time. A colour-thickness pattern established a naked-eye projection of the grown sample’s thickness, which allows for a quick and quantitative evaluation of the deposited films. Further XRD measurements are presented, as well as a statistical particle analysis with the software ImageJ applied to optical microscopy images of the samples. Based on these analysis, a modelling for the transition between ion-by-ion deposition and cluster-by-cluster deposition was presented. Further works compass the development of a working sample holder and the production of a detailed experimental protocol. Concerning the ZnO:Al depositions, ALD, which is a potential industrial friendly technique, was used. The study focused on evaluating the growth rates of the system and on understanding the thickness effects on the transmittance and resistance of the resultant films. Two aluminium doping quantities were also studied and an increase of the bandgap energy is confirmed with increasing aluminium doping. The sample with the lowest sheet resistance of 80 Ω.□-1 of this work had a thickness of 735 nm, while presenting transmittance values averaging above 90 % for wavelengths values between 400-1200 nm. As part of understanding the thickness effects, scanning electron microscopy, atomic force microscopy and X-ray diffraction analysis were performed, revealing a correlation between the (110) planar orientation and the resistivity values. Both CdS and ZnO:Al layers are then individually incorporated in (externally manufactured) CIGS solar cells and are characterized. The solar cell results showed that the CIGS layer does not survive the harsh growth conditions of the ALD processing, which demonstrates that more improvements in this technique are needed. Two solar cell devices with 60 nm and a 210 nm CdS layers present fill factors of 0.60 and 0.50 respectively, and efficiency values of 11.6 % and 9.8 %. These results demonstrate better electrical performances for the solar cell with the optimized 60 nm CdS layer, presenting an increase of 1.8 % efficiency with a 150 nm decrease in thickness, highlighting the importance of controlling the CdS deposition procedure.
Esta tese tem como objetivo estabelecer uma metodologia de base para o crescimento otimizado de filmes finos de CdS por deposição em banho químico (CBD) e de ZnO:Al por atomic layer deposition (ALD), com o intuito de otimizar células solares de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) nas infraestruturas do INL. Uma pesquisa base na otimização de vários parâmetros base é apresentada, considerando os respetivos métodos de deposição e materiais. É efetuado um estudo detalhado na influência dos parâmetros de deposição do banho químico nas propriedades dos filmes de CdS resultantes. A reprodutibilidade da deposição de uma camada de 50-70 nm de espessura é assegurada. Os parâmetros estudados que mais afetam a deposição são: i) a temperatura; ii) o pH (indiretamente, a partir da quantidade de amónia); iii) o tempo da deposição. É estabelecido um padrão entre a cor do filme e um alcance de espessuras, para permitir uma aproximação rápida e quantitativa da espessura da amostra a olho nu. São apresentadas medidas de difração de raios-X, juntamente com uma análise estatística de partículas através do software ImageJ a imagens das amostras, recolhidas por microscopia ótica. Também foram desenvolvidos um suporte de substratos para a deposição e um protocolo experimental detalhado para o processo de CBD. Para os filmes de ZnO:Al foi utilizada a técnica de ALD, que é uma técnica potencialmente amiga da indústria. Este estudo foca-se em avaliar os rácios de crescimento do sistema e em compreender os efeitos da espessura na transparência e na resistência dos filmes resultantes. Foram utilizadas duas diferentes quantidades de dopagem com alumínio, e foi confirmado um aumento na energia de hiato com o aumento de percentagem de alumínio nos filmes. A amostra com resistividade de folha inferior deste trabalho, com 80 Ω.□-1, possuía 735 nm de espessura e apresentava uma média de valores de transmitância acima de 90 %, para comprimentos de onda compreendidos entre 400-1200 nm. Para compreender os efeitos da espessura nos filmes, utilizou-se microscopia eletrónica de varrimento, microscopia de força atómica e difração de raios-X, que revelaram uma correlação entre a orientação planar (110) e os valores de resistividade obtidos para cada amostra. Ambos os filmes de CdS e de ZnO:Al são incorporados individualmente em células solares CIGS, externamente produzidas, e são caracterizadas. Os resultados das células solares demonstraram que a camada CIGS não sobrevive às condições severas do processo de ALD, o que revela que são necessários mais desenvolvimentos para esta técnica de deposição. Duas células solares com incorporação de CdS com espessuras de 60 nm e 210 nm apresentam valores de fill factor de 0.60 e 0.50, respetivamente, e eficiências de 11.6 % e 9.8 %. Estes resultados demonstram uma performance elétrica melhorada para a camada otimizada de CdS com 60 nm, apresentando um aumento de 1.8 % de eficiência com a redução de 150 nm de espessura, evidenciando a importância do controlo do processo de deposição de CdS. Palavras-chave: Semicondutores, Células solares de filmes finos, CdS buffer, ZnO:Al óxido condutor e transparente, CIGS.
TypeMaster thesis
DescriptionDissertação de mestrado em Física Aplicada
URIhttp://hdl.handle.net/1822/45504
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Dissertações de Mestrado
CDF - FMNC - Dissertações de Mestrado/Master Thesis

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