بخشی از مقاله
چکیده
الیه نازک Cu2ZnSn4S - CZTS - روی شیشه کوارتز بوسیله یک هدف چهارتایی شامل عناصر cu,zn,sn,s الیه نشانی شد و مشخصات فیزیکی آن مورد بررسی قرار گرفت. ساختار و خواص اپتیکی الیه های نازک CZTS قبل و بعد از بازپخت در دمای 200 و 350 و 500 درجه سانتیگراد در خالء بررسی شده است. نتایج بازپخت نشان می دهد که تبلور مجدد الیه نازک CZTS اتفاق می افتد و اندازه دانه ها در یک جهت ویژه افزایش می یابد که این جهت خاص - 112 - بدست آمده است. میانگین اندازه بلورها بوسیله طیف XRD و بر اساس قله جهت - 112 - و از رابطه شرر 8-10 نانومتر بدست آمده است. طیف سنجی رامان نیز وجود فاز بلوری بعد از باز پخت را نشان داده است. طیف عبوری در محدوده 600-2400 نانومتر دیده شده است. با افزایش دمای باز پخت از 200 به 500 درجه باند انرژی ممنوعه CZTS از 1.57 الکترون ولت به 1.31 الکترون ولت تغییر پیدا کرد.
مقدمه
نیمه هادی - CZTS - Cu2ZnSnS4 یک ماده مناسب برای تبدیل انرژی فتوولتاییک در مقیاس تراوات - TW - در سلول های خورشیدی الیه نازک است. .]1[ پیشرفت های چشمگیری در این تحقیقات نسبتا جدید در سال های اخیربدست آمده است .]2[ با این حال، این بازده هنوز هم بسیار کمتر از دستگاه های فتوولتاییک CIGS هستند. همه عناصر تشکیل دهنده CZTS فراوانی زیادی درزمین و در محیط زیست دارند. فراوانی روی و قلع موجود درپوسته زمین 1500 بار و 45 بار بیشتر از ایندیوم ، و قیمت ایندیوم تقریبا دو برابر باالتر از روی و قلع است ]3[ .هدف از این کاربررسی اثر شرایط آماده سازی بر روی خواص ساختاری و اپتیکی الیه های فیلم نازک CZTS است.
روش ساخت
در این تحقیق جهت الیه نشانی الیه های CZTS از شیشه کوارتز به عنوان زیرالیه به دلیل تحمل دمای باال در حین عملیات حرارتی نسبت به شیشه معمولی استفاده گردید . قبل از الیه نشانی همه زیرالیه ها تمیز شده و در نهایت با گاز N2 خشک شدند. از هدف چهارتایی Cu-Zn-SN-S با نسبت اتمی: Cu:Zn:Sn:S = 1.8: 1.1: 0.9: 3.0 برای الیه نشانی به روش کندوپاش استفاده شد. خلوص هدف ها باالتر از %99/99 با قطر 7/5 سانتی متر بود. برای انباشت الیه CZTS مشخصات الیه نشانی به صورت زیر بود. Cu به روش کندوپاش DC و با توان 40انباشت وات و Snو Znبه روش RF با توان انباشت 70 و 100 وات و هر سه این هدف ها در حضور گاز [H2S - 15% - + Ar - 85% - ] انباشت شده ند.
کنترل ضخامت بوسیله کنترل توان انباشت انجام شد. فشار پایه حدود 6/6×10-3 پاسکال و انباشت در فشار 0/67 پاسکال انجام و زمان انباشت 160 دقیقه بود.الیه های CZTS تهیه شده در سه کپسول با حرارت مختلف در 200, 350, 500 درجه سانتیگراد به مدت 60 دقیقه در خالء بازپخت شدند. الیه های نازک CZTS باز پخت شده در 600 درجه سانتی گراد و طوالنی تر از 60 دقیقه تجزیه شدند. همین دلیل دمای باز پخت را زیر600 درجه و زمان را در کمتر از 60 دقیقه محدود میکند. قبل و بعد از هر مرحله باز پخت، خواص ساختاری و اپتیکی الیه ها مورد آزمایش قرار گرفتند.
ساختار بلوری و ترکیب فازی فیلم الیه های نازک CZTS با پراش پرتو ایکس - XRD - درمحدوده زاویه پراکندگی 2 20 -60 مورد بررسی قرار گرفت.الگوهای XRD با پراش سنج اتوماتیک Siemens D-500 درCuK و تابش 1/5404 nm با فیلتر نیکل ثبت شد. انتقال و بازتاب طیف از نمونه آزمایشی در محدوده طول موج 600-2400نانومتر با استفاده از یک Cary-500 Scan - Varian, USA - بارزولوشن طیفی 1/0 نانومتر ثبت شد.طیف رامان بوسیله اسپکترومتر مدل DILOR XY 800 اندازه گیری گردید.
نتایج و بحث
شکل 1 الگوهای XRD از الیه های نازک CZTS توسط کندوپاش مغناطیسی با فرکانس رادیویی روی زیرالیه شیشه ای و بازپخت شده در دماهای مختلف را نشان می دهد. شناسایی و تطابق الگوهای پراش مشاهده شده با استفاده از نرم افزار JCPDS و مطالعات گذشته انجام گرفته است.]4[ شدت CZTS - 112 - با دمای بازپخت افزایش می یابد. این نشان می دهد که الیه نازک CZTS بازپخت شده در دمای باالتر تبلور بهتری دارند. میانگین اندازه بلور 8-10 نانومتربود که با استفاده از پراش طیف XRD و بر اساس قله جهت - 112 - واز رابطه شرر بدست آمده است .]5[
شکل .1 طیف پراش اشعه ایکس از CZTS فیلم های الیه نازک بازپخت شده در دماهای مختلف - a - قبل از بازپخت، - b - در - c - 200 در - d - 350 در 500 درجه سانتیگراد.پارامترهای شبکه از الگوی XRD مشخص و در جدول 1 لیست شده است. مورفولوژی و هندسه سطح الیه نازک الیه نشانی شده و باز پخت شده توسط دستگاه AFM مورد مطالعه قرار گرفتند.تصاویر AFM در شکل2 نشان داده شده است. این تصاویربه روشنی مرز دانه بین دانه های کوچکتر قبل از بازپخت و رشد دانه ها با افزایش دمای بازپخت شده را نشان میدهد.
شکل 3 سطح معمولی و تصاویر مقطعی SEM از نمونه الیه نشانی شده و بازپخت شده CZTS با استفاده از روش کندوپاش را نشان میدهد. تغییرات تبلور به وضوح یافت می شود. بعد از بازپخت بافت فیلم الیه های نازک CZTS از دانه های بی نظم آمورف به کریستالهای منظم تبدیل میشود. همچنین ضخامت الیه ها پیش از بازپخت 1.14 میکرومتر بوده که پس از بازپخت در دمای 500 درجه سانتیگراد به1.20 میکرومترافزایش می یابد.
شکل .2 تصاویر AFM از الیه های نازک - a - : CZTS قبل از بازپخت، - b - بازپخت شده در 200 درجه سانتیگراد، - c - بازپخت شده در 350 درجه سانتیگراد - d - بازپخت شده در 500 درجه سانتیگراد.بعد از بازپخت ذرات لبه های تیز را ترمیم کرده و اندازه دانه هاافزایش یافته همچنین ضخامت CZTS بطور مستقیم با دمای بازپخت افزایش می یابد. دانه ها اتصال الکتریکی خوبی با هم دارند که این برای توسعه اتصالهای p-n ضروری است. مقادیر زبری الیه های نازک CZTS در جدول 2 امده است. نتایج نشان می دهد مقادیر زبری بعد از بازپخت افزایش قابل مالحظه ای داشته است.طیف رامان در شکل 5 برای نمونه های CZTS قبل و بعد ازبازپخت نشان داده شده است. طیف سنجی حضور دو قله اصلی در 282 و cm-1 332 را نشان میدهد که می تواند مربوط ارتعاش حالتهای متقارن تتراگونال و مکعبیCZTS باشد.[ 6 ] حضور قله فرعی در cm-1 370 شکل گیری کریستالی را تایید می کند.
