Investigation of ion acceleration effect on ZnSnN2 thin films via HiPIMS at room temperature

The transition to sustainable energy requires innovative technologies to enhance solar energy conversion efficiency. Tandem solar cells, integrating multiple absorber layers, represent a promising solution. Zinc tin nitride (ZnSnN2) has recently gained attention as a potential material for the upper cell in silicon-based tandem photovoltaics due to its earth-abundant elements, non-toxicity, and cost-effectiveness, making it a viable alternative to conventional semiconductor materials, like III nitrides. Furthermore, its bandgap can be tuned by controlling its composition and structure. However, achieving a crystalline ZnSnN2 structure is essential to optimize its optical and electronic properties. Some of the deposition techniques reported in the literature, such as direct current magnetron sputtering (DCMS), require high substrate temperatures to achieve a crystalline phase, leading to unintentional doping effects and increased carrier density. To overcome these limitations, High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) is explored, allowing film crystallization at room temperature. In particular, this study investigates the effect of ion energy using HiPIMS and bipolar-HiPIMS, an advanced configuration applying a positive voltage to the zinc target during the afterglow. The deposited thin films are characterized through XRD, SEM, EDX, Raman spectroscopy, electrical and transmittance measurements. In addition to that, an initial IR model (IRM) is developed to analyze the zinc plasma dynamics in a nitrogen atmosphere and the poisoning of the zinc target. This research provides new insights into the feasibility of HiPIMS for ZnSnN2 deposition, contributing to the development of next-generation photovoltaic materials.

La transizione verso fonti di energia sostenibile richiede tecnologie innovative per migliorare l’efficienza della conversione di energia solare. Le celle solari tandem, che integrano vari layer assorbenti, sono una soluzione promettente. Il nitruro di zinco stagno (ZnSnN2) ha attirato sempre più interesse ultimamente come potenziale candidato per una cella superiore in una cella solare tandem basata sul silicio, siccome è formato da elementi che abbondano sulla Terra, non sono tossici e sono ecomici. Si presenta come una valida alternativa ai soliti semiconduttori , come i nitruri di metalli del terzo gruppo. Oltretutto, il suo bandgap può essere modificato controllando la struttura e la composizione. Però, la formazione di una struttura cristallina è fondamentale per poter controllare le proprietà ottiche ed elettroniche. Alcune delle tecniche di deposizione studiate in letteratura, come il magnetron sputtering a corrente continua (DCMS) necessitano di un elevato riscaldamento del substrato per ottenere una fase cristallina, comportando, però, un doping non intenizionale, aumentando la densità di portatori di carica. Per superare questo limite, il magnetron sputtering ad impulso ad elevata potenza (HiPIMS) è stato studiato, otte- nendo film cristallini a temperatura ambiente. Questo studio esplora l’effeto dell’energia degli ioni sfruttando l’HiPIMS e il bipolar-HiPIMS, un’ avanzata configurazione dove una tensione positiva viene applicata al target dopo lo spegnimento dell’impulso principale. I film sottili realizzati sono stati caratterizzati tramite XRD, SEM, EDX, spettroscopia Raman e misure elettriche e in trasmissione. Per di più è stato sviluppato un modello IRM per la scarica di zinco in HiPIMS. Tramite questo modello è possibile studiare la dinamica del plasma di zinco, considerando l’azoto come gas di lavoro. Questo studio fornisce un approfondimento delle deposizoni di ZnSnN2 tramite HiPIMS, contribuendo allo sviluppo della prossima generazione di materiali per applicazioni fotovoltaiche.