Electrochemical deposition of cadmium telluride from aqueous solutions

As it’s well known, the world energy demand is increasing every year, underlying the importance of cleaner sources of energy. Photovoltaic technology, such as the one based on cadmium telluride, is one of the most interesting and reliable solutions. In this area one of the most important parameters to care about is production time, because it’s connected with productivity. This is the main motivation for my research. In my work I tested four different solutions at high concentration of cadmium and tellurium with cyclic voltammetry. Afterwards I used them for electrodeposition processes on copper at different potentials. Finally the obtained samples were analysed with different techniques, including XRF, SEM (exploited for both elemental analysis and for morphological one), digital pictures and phase analysis. The Cd-Te coatings were possible to be obtained from all the solutions. According to elemental analysis we were able to select the optimal deposition parameters, and the best solution out of the ones I tried. The deposition speed was computed, with a result up to 1000 μm/h for the best samples, and an average deposition speed above 750 μm/h, almost two orders of magnitude higher that every other result I could find in literature. These results enable to have a starting point for future researches in the field, that should be devoted in increasing even further the deposition speed, or to improve the stoichiometry of the deposit or the efficiency of the process. A deeper analysis of all these points will be found in my thesis.

Come è ben noto, la domanda energetica mondiale aumenta ogni anno, sottolineando l'importanza di fonti di energia più pulite. La tecnologia fotovoltaica, come quella basata sul tellururo di cadmio, è una delle soluzioni più interessanti e affidabili. In questo settore uno dei parametri più importanti di cui preoccuparsi è il tempo di produzione, perché è collegato alla produttività. Questa è la motivazione principale per la mia ricerca. Nel mio lavoro ho realizzato, testato ed utilizzato quattro diverse soluzioni ad alta concentrazione di cadmio e tellurio. Raggiungere un’elevata concentrazione di ioni di cadmio in soluzione non rappresenta una grande sfida, in quanto composti come CdSO4, da me utilizzato, presentano una buona solubilità in ambienti aquosi. Al contrario invece è piuttosto noto che composti contenenti tellurio, come ad esempio TeO2, non consentono il raggiungimento di elevate concentrazioni in soluzione. Onde superare questo problema, nel mio lavoro ho introdotto in soluzione differenti quantità di acido citrico, che andando a formare complessi con il tellurio consentono di aumentarne notevolmente la concentrazione, di ben oltre un ordine di grandezza. Naturalmente questo composto, oltre a consentire di aumentare la concentrazione delle specie in soluzione e di conseguenza la loro velocità di deposizione, va anche a modificare quelli che sono i processi elettrochimici che portano alla deposizione di telluluro di cadmio. Per comprendere gli effetti di tutte queste modifiche introdotte, in primo luogo le soluzioni sono state testate con voltammetria ciclica. Gli esperimenti sono stati effettuati variando sia il range di deposizione (da un ciclo massimo di -1,2V a +1,2V, fino ad un ciclo minimo di -0,2 a +1,2V), sia la velocità di scansione; infine è stata introdotta anche la rotazione dell’elettrodo a vari regimi. Successivamente ho utilizzato le quattro diverse soluzioni per il processo di elettrodeposizione su rame, eseguito a diversi potenziali: Partendo da un minimo di -0,9 V fino ad un massimo di -0,3V, aumentando il potenziale di 0,1V ad ogni successivo campione. La scelta del substrato di deposizione è motivata non solamente dalla ottima reperibilità di questo materiale, ma anche dalle sue notevoli proprietà conduttive e dal suo basso costo. I processi di elettrodeposizione sono stati effettuati in celle appositamente realizzate in materiale plastico tramite stampa 3D; queste erano in grado di contenere approssimativamente 0,2l di soluzione per ogni deposizione, contenedo inoltre appositi alloggi per l’elettrodo di deposizione, i controelettrodo in platino e l’elettrodo di riferimento. Per ottenere la velocità di deposizione e la quantità di materiale depositato, i substrati in rame sono tutti stati pesati prima e dopo la deposizione con una microbilancia al quarzo. La deposizione è stata effettuata per 15 minuti per ogni diverso parametro di processo, portando alla realizzazione di più di 7 campioni per ogni soluzione. Infine i film ottenuti sono stati analizzati con diverse tecniche, tra cui XRF, SEM, immagini digitali e diffrazione dei raggi X. I risultati della fluorescenza a raggi X, che ha fornito l’analisi elementare dei campioni, è stata paragonata con l’analisi elementare effettuata con il SEM. Quest’ultimo strumento inoltre è stato utlizzato per l’analisi morfologica, fornendo un metodo di indagine più approfondito rispetto alla semplice analisi visiva. Infine i campioni più significativi sono stati sottoposti all’analisi di fase, in modo da poter investigare le loro proprietà cristalline e le fasi presenti, e i risultati sono stati paragonati tra loro. I rivestimenti di Cd-Te sono stati ottenuti senza grossi problemi da tutte le soluzioni, dopo che alcune problematiche iniziali sono state risolte. Infatti la parziale ossidazione dei substrati in rame aveva inizialmente portato al distaccamento dei film. La velocità di deposizione del CdTe è stata calcolata, con un risultato fino a 1000 μm/h per i campioni migliori, e una velocità di deposizione media superiore a 750 μm/h, quasi due ordini di grandezza superiore a qualsiasi altro dato che sono riuscito a trovare in letteratura. Grazie all'analisi elementare, confrontata con i risultati ottenuti tramite voltammetria ciclica, sono stato in grado di selezionare i parametri di deposizione ottimali e la soluzione migliore tra quelle che ho provato. Questi dati mi hanno permesso inoltre di comprendere i limiti e le problematiche della tecnica, nonchè i probabili futuri sviluppi. I risultati da me ottenuti consentono infatti di avere un buon punto di partenza per future ricerche nello stesso campo, che dovrebbero essere dedicate ad aumentare ulteriormente la velocità di deposizione, oppure a migliorare la stechiometria del deposito, o l'efficienza del processo. Un'analisi più approfondita di tutti questi argomenti si troverà nella mia tesi.