Fabrication of solar cells based on Cu2ZnSnS4 films grown with optimized chemical composition homogeneity

Abstract

Se fabricaron celdas solares con estructura Mo/CZTS/ZnS/ZnO usando como capa absorbente películas de Cu2ZnSnS4 (CZTS) crecidas por evaporación simultánea de sus precursores desde una fuente de evaporación coaxial construida con un diseño avanzado que permitió mejorar significativamente la homogeneidad en la composición química en todo el volumen. Mediante mediciones con difracción de rayos X (XRD) se verificó que bajo condiciones de crecimiento optimizado era posible obtener películas en la sola fase Cu2ZnSnS4; los análisis de perfiles de profundidad con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) permitieron confirmar que las muestras preparadas desde una fuente coaxial crecieron solamente en la fase CZTS y que su composición química presentaba una mejor homogeneidad en todo el volumen que aquellas depositadas desde tres fuentes de evaporación separadas. Asimismo, se encontró que las celdas solares fabricadas con una capa absorbente CZTS crecidas desde una fuente de evaporación coaxial presentaban eficiencias de conversión significativamente mayores que las celdas fabricadas con capas CZTS preparadas desde fuentes de evaporación separadas. Se obtuvieron eficiencias de conversión de 5,6%, una corriente de cortocircuito de 18,3 mA/cm2 y un voltaje de circuito abierto de 0,52 V.

Solar cells with Mo/CZTS/ZnS/ZnO structure were fabricated using Cu2ZnSnS4 (CZTS) films as the absorber layer. These films were grown by simultaneous evaporation of its precursors with a coaxial evaporation source whose advanced design allowed to improve significantly the homogeneity of the chemical composition in the entire volume. Through X-ray diffraction (XRD) measurements we were able to verify that under optimized growing conditions, it is possible to get single phase Cu2ZnSnS4 films; through X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) depth profile analysis we confirmed that the chemical composition of the samples prepared from a coaxial source had a better homogeneity throughout the volume than the samples deposited from three separated evaporation sources. We also found that the conversion efficiencies of solar cells fabricated using a CZTS absorber layer grown from a coaxial evaporation source was significantly greater than that of cells fabricated using CZTS layers prepared from separate evaporation sources. We obtained conversion efficiencies of 5.6%, short circuit current of 18.3 mA/cm2 and open-circuit voltage of 0.52 V.