Synthesis and characterization of magnetron sputtered ZnSnN2 thin films for novel photovoltaics

Nowadays harnessing the solar energy through photovoltaics applications is considered one of the most promising paths to meet the escalating demand for energy. To exploit most of the solar spectra, engineered devices are needed, and tandem solar cells represent an innovative approach within the field of photovoltaics. For this purpose, a new type of semiconductor has captured the attention of the scientific community, ZnSnN2, mostly known as ZTN. Is made of earth-abundant, cheap, and non-toxic elements, these characteristics make it an excellent candidate for photovoltaics application. The optoelectronic properties of ZTN primarily depend on its composition and since it shows a high intrinsic carrier concentration, the understanding of carrier tuning is of paramount importance for the development a performant device. Moreover, the bandgap can be tuned accordingly to the disorder of the structure. It is a relatively new material since it was first synthesized in 2013, from that time on, different techniques were implied to fabricate ZTN but in this work the Magnetron Sputtering in Direct Current regime is utilized. To have a precise control of the film’s composition, two independent cathodes of tin and zinc were utilized. The films are deposited within a high vacuum chamber filled with nitrogen. This research is aimed to understanding the correlation between different deposition conditions and the related material properties. In this work the role of zinc content, gas pressure, and growth temperature on the morphology, vibrational modes and optoelectronic properties will be analyzed. A total of 31 samples were deposited featuring different Zn/(Zn+Sn) composition and were characterized through SEM, EDXs, XRD, Raman and optoelectrical measurements. Moreover, a particular attention was given toward the oxidation process in zinc rich samples. In this research are shown the correlation between the Zn/(Zn+Sn) on the material’s structure as well as the bandgap value. Is intended to be an explorative research project, giving a solid base for future research as more branches were investigated.

Attualmente, utilizzare l'energia solare tramite il fotovoltaico è considerato uno dei percorsi più promettenti per soddisfare la crescente domanda di energia. Per sfruttare la maggior parte dello spettro solare, sono necessari dei dispositivi innovativi e le celle solari tandem ne sono un esempio. A tale scopo, un nuovo tipo di semiconduttore ha attirato l'attenzione della comunità scientifica, lo ZnSnN2 (ZTN). E' composto da elementi abbondanti sulla Terra, economici e non tossici che lo rendono un eccellente candidato per le particolari applicazioni fotovoltaiche. Le proprietà optoelettroniche dello ZTN dipendono principalmente dalla sua composizione e, poiché mostra una elevata concentrazione intrinseca di portatori, il controllo del loro sviluppo è di fondamentale importanza per ottenere un dispositivo performante. Inoltre, il bandgap può essere regolato in base al disordine della struttura. Si tratta di un nuovo materiale, sintetizzato nel 2013. In questo lavoro viene utilizzato il Magnetron Sputtering in regime a Corrente Continua. Per avere un controllo preciso della composizione del film, sono stati utilizzati due catodi indipendenti di stagno e zinco e rappresenta una novità in letteratura. I film sono depositati all'interno di una camera ad alto vuoto riempita di azoto. Questa ricerca mira a comprendere la correlazione tra diverse condizioni di deposizione e le relative proprietà del materiale. In questo lavoro, verrà analizzato il ruolo del contenuto di zinco, della pressione del gas e della temperatura di crescita sulla morfologia, le modalità vibrazionali e le proprietà optoelettroniche. Sono stati depositati complessivamente 31 campioni con diverse composizioni di Zn/(Zn+Sn) e sono stati caratterizzati tramite SEM, EDX, XRD, Raman e misurazioni ottiche ed elettriche. Inoltre, è stata prestata particolare attenzione al processo di ossidazione nei campioni ricchi in zinco. In questa ricerca vengono mostrate le correlazioni tra Zn/(Zn+Sn) sulla struttura del materiale e sul valore del bandgap. Si tratta di un progetto di ricerca esplorativo, che fornisce una solida base per ricerche future in quanto sono stati esplorati diversi rami.