Fabrication of CZTSe absorber layers from co-electrodeposited Cu-Zn-Sn precursor for thin film solar cells

Cu2ZnSnSe4 (CZTSe)–based thin films have been considered as an alternative absorber layer in photovoltaic devices to other thin films such as Cu(In,Ga)Se, CdTe, a-Si due to their earth-abundant, low cost and non-toxic constituents. The CZTSe has promising optical properties, with band gap energy near about 1.0 eV and large absorption coefficient with an order of 104-105 cm-1. In the present work, Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) thin films were successfully prepared by co-electrodeposition–annealing route, in which Cu-Zn-Sn metal precursors were deposited by a novel electrolyte formula on Mo substrate, followed by annealing in elemental selenium environment in quartz tube furnace at constant temperature 550 °C with a ramping rate of 20 °C/min which starts from ambient temperature in the presence of N2 atmosphere. Selenization was performed for different time periods to study the effect of Selenization time on the thin film. Morphological, compositional and structural features of the films were investigated using scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and X-ray diffraction before and after selenization. Raman spectroscopy was performed after selenization to fully characterize the deposited films. Photoluminescence was also performed in order to investigate the optical characteristics of the film. Different characterization results confirmed the well-formed kesterite CZTSe after selenization of the Cu-Zn-Sn precursor. It was also observed that the formation of MoSe2 in between Mo foil and CZTSe depends on selenization periods.

I film sottili a base di Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) sono stati considerati come strato assorbente alternativo in dispositivi fotovoltaici ad altri film sottili come Cu(In,Ga)Se, CdTe, a-Si a causa della loro abbondanza in natura, il basso costo e la non tossicità dei costituenti. La lega CZTSe ha promettenti proprietà ottiche, con un band gap pari a circa 1,0 eV ed un notevole coefficiente di assorbimento nell'ordine di 104-105 cm-1.Nel presente lavoro, film sottili di Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) sono stati preparati con successo attraverso un processo di co-elettrodeposizione-ricottura, in cui precursori metallici Cu-Zn-Sn sono stati depositati da un elettrolita dalla formulazione innovativa su substrati di Mo ed in seguito ricotti in atmosfera contenente selenio elementare in un forno tubolare di quarzo a temperatura costante di 550 °C con una rampa di 20 ° C/min da temperatura ambiente in presenza di N2. La selenizzazione è stata effettuata per diversi periodi di tempo per studiare l'effetto del tempo di selenizzazione sul film sottile. Le caratteristiche morfologiche, composizionali e strutturali dei film sono state studiate mediante microscopia elettronica a scansione, spettroscopia a raggi X a dispersione di energia e diffrazione di raggi X prima e dopo selenizzazione. La spettroscopia Raman è stata eseguita dopo la selenizzazione per caratterizzare completamente i film depositati. Analisi di fotoluminescenza sono state inoltre effettuate per indagare le caratteristiche ottiche del film. Diversi risultati hanno confermato la formazione di kesterite CZTSe ben strutturata dopo la selenizzazione del precursore Cu-Zn-Sn. E stato anche osservato che la formazione di MoSe2 tra il substrato di Mo ed il CZTSe dipende dalla durata della selenizzazione.