Indium phosphide synthesis for thin film photovoltaics

Indium phosphide (InP) is a compound of the elements indium and phosphorus. It is a III-V direct bandgap semiconductor used for the fabrication of optoelectronic and high-frequency devices. InP availability is limited by high production costs, here a cost-effective thin film synthesis via electrochemical deposition is explored. The electroplating of indium phosphide on different substrates is investigated in both aqueous and organic electrolytic baths, starting from various indium and phosphorus precursors dissolved in solution. Despite the wide range of experimental parameters tested, InP can’t be obtained via a single electrodeposition process. Thus a low cost, two-step growth process is examined, utilizing electrodeposited indium thin films which are subsequently converted to indium phosphide via a high temperature gaseous reaction. Advances in the electrochemical deposition of In are explored in both aqueous and organic solutions. Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) are performed for morphological investigation, X-ray diffraction (XRD) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for compositional analyses. Electronic grade purity, continuous, um thick indium films can be deposited on molybdenum (Mo) foil, to assist the thin-film vapor liquid solid growth method. The optoelectronic properties of the resulting polycrystalline InP films are investigated with steady state photoluminescence (PL) and timeresolved photoluminescence (TRPL), which display optoelectronic high quality. The process can be extended to the growth of thin film polycrystalline InP on low cost and flexible substrates for solar cell applications. The dissertation is structured in a first part to contextualize the research work, then in an empirical section containing experiments description and results. An overview on photovoltaics is provided in chapter 2, focusing on the state of the art InP solar cells, while chapter 3 describes the principles of the electrodeposition growth method. The experimental procedure is detailed in chapter 4, fundamentals of the main characterizion techniques performed on the samples are given in chapter 5. The results are reported and discussed in chapter 6 and final conclusions are summarized in chapter 7.

Il fosfuro di indio (InP) è un materiale semiconduttore costituito da indio e fosforo. È utilizzato principalmente in dispositivi elettronici ad alta frequenza e dispositivi optoelettronici, essendo caratterizzato da un’alta mobilità dei portatori liberi di carica e da una banda di energia proibita diretta. Nonostante l’elevato valore di efficienza di conversione energetica dimostrata, il suo impiego nelle celle solari è limitato ad un ristretto campo di applicazioni a causa degli alti costi di produzione. Con questo lavoro di ricerca si valuta la possibilità di sintetizzare un film sottile di InP utilizzando il processo di deposizione elettrochimica, che consentirebbe una notevole riduzione dei costi. Sono state considerate soluzioni elettrolitiche acquose, in cui diversi precursori di indio e fosforo sono disciolti nel tentativo di ottenere un film sottile di InP per via elettrochimica. Sono stati utilizzati diversi tipi di soluzione, ispirati ad articoli presenti in letteratura sia riguardanti l’elettrodeposizione di InP, sia riguardanti una più generica sintesi del materiale. Sali inorganici sono stati utilizzati come precursori di indio (in particolare indio cloruro e indio solfato), mentre per il fosforo sono stati considerati svariati precursori, tra i quali acido fosforoso e fosforico, sodio ipofosfito e ammonio esafluorofosfato. Nonostante l’ampio ventaglio di parametri sperimentali analizzati, tra cui densità di corrente, pH e temperatura, non è stato possibile ottenere un deposito di fosfuro di indio di qualità elevata. L’aggiunta di agenti complessanti in soluzione non ha apportato alcun miglioramento. Risultati negativi sono stati ottenuti anche dall’esplorazione di soluzioni non acquose, in cui solventi organici come N,N-dimetilformammide (DMF) e dimetilsolfossido (DMSO) sono stati utilizzati per l’elettrodeposizione. È stato dunque considerato un processo a due fasi, in cui si realizza l’elettrodeposizione di un film sottile di In che viene successivamente convertito in InP tramite fosforizzazione, una reazione gassosa ad alta temperatura. Sono state analizzate soluzioni acquose e soluzioni organiche per l’elettrodeposizione di un film sottile di indio, di elevata qualità morfologica ed elevata purezza. Sono state utilizzate tecniche di microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia a forza atomica (AFM) per caratterizzazioni morfologiche del campione, mentre analisi composizionali sono state svolte tramite diffrazione a raggi X (XRD) e spettroscopia EDX. Infine è stato possibile ottenere un deposito di In a elevato grado cristallino, spesso 1 um, su un substrato di molibdeno. Tramite la tecnica TF-VLS di crescita, il film di In è convertito in InP. La caratterizzazione del campione così ottenuto, è stata svolta con le tecniche di fotoluminescenza (PL) e fotoluminescenza risolta in tempo (TRPL). Il risultante film policristallino mostra elevata qualità optoelettronica, che nel caso di InP ottenuto tramite fosforizzazione del film di In depositato da soluzioni acquose, è comparibile con campioni ottenuti tramite evaporazione. Questo processo può essere esteso alla crescita di film policristallini di InP su substrati economici e flessibili, per applicazioni nel fotovoltaico. Lo scritto è strutturato in una prima parte in cui si presenta una panoramica sul fotovoltaico, mettendo in evidenza lo stato dell’arte delle celle solari di fosfuro di indio, e sull’elettrodeposizione. Nella seconda parte si descrive la procedura sperimentale adottata e si illustrano le principali tecniche di caratterizzazione utilizzate, quindi si mostrano e discutono i risultati ottenuti.