بررسي ويژگي‌هاي نوري، ساختاري و الكتريكي لايه‌نازكCuInSe2 به روش اسپري گرماكافت با بهينه‌سازي ميزان سديم در ساختار

Investigation of optical, structural and electrical properties of CuInSe2 thin layer by thermal spray pyrolysis method by optimizing the amount of sodium in the structure

لايه جاذب، قلب يك سلول خورشيدي است كه در عملكرد آن نقش مهمي ايفا مي‌كند. در سال‌هاي اخير Cu(In,Ga)Se2 به‌عنوان لايه جاذب در سلول هاي خورشيدي كلكوژني بسيار موردتوجه بوده است. در اين پژوهش از روش لايه‌نشاني ارزان، سريع و با قابليت تجاري اسپري گرماكافت به‌منظور ساخت لايه‌هاي CISeاستفاده‌شده است. سپس تأثير زمان غوطه‌وري نمونه‌ها در محلول حاوي سديم بر ويژگي‌هاي الكتريكي، نوري، ساختاري و ريخ‌شاسي لايه‌هاي اسپري شده بررسي و مقدار بهينه سديم در ساختار معرفي شده است. آناليزهاي انجام‌شده براي بررسي ويژگي‌هاي مذكور، شامل الگوي پراش پرتوايكس (XRD)، ميكروسكوپ الكتروني گسيل ميداني (FESEM) با قابليت آناليز عنصري (EDS)، طيف‌سنجي عبوري (UV-Vis)، آناليز الكتروشيميايي موت‌شاتكي و اندازه‌گيري منحني جريان– ولتاژ در تاريكي بوده است. نتيجه‌ها نشان مي‌دهد كه تغيير زمان غوطه‌وري در محلول و در نتيجه مقدارسديم در ساختار، بر بلورينگي و ويژگي‌هاي ريخت‌شناسي لايه‌ها اثرگذار است. لايه‌هاي به‌دست آمده از زمان غوطه‌وري 15 دقيقه در مقايسه با زمان‌هاي 5 و 10 دقيقه ريزدانه‌تر بوده و در تصويرهاي سطح مقطع عرضي نيز متخلخل هستند. درحالي‌كه بهترين بلورينگي و بيش‌ترين تحرك‌پذيري حفره (cm2/V.s1-10 ~) براي نمونه با زمان غوطه‌وري 10 دقيقه به‌دست آمده است. با وجود آن‌كه، همه لايه‌ها داراي رسانايي نوع p هستند، چگالي حامل‌هاي پذيرنده با نفوذ سديم در ساختار از ­1019~تا­cm-3­1017 ~ تغيير كرده است. اگرچه، سطح‌هاي انرژي ساختار نواري با تغيير زمان غوطه‌وري تغيير قابل‌مشاهده‌اي نمي‌كند. البته با تغيير زمان غوطه‌وري گاف انرژي مستقيم از 1/38 تا eV 1/41 تغيير كرده است. به طوري‌كه پهن‌شدگي گاف انرژي با مقدارeV 1/41 براي مقدار بهينه سديم با زمان غوطه‌وري 10 دقيقه قابل‌مشاهده است. به‌طوركلي با توجه به نتيجه‌هاي به‌دست آمده از اين پژوهش مي‌توان با بهره‌گيري از مقدارهاي بهينه شده سديم در ساختار سلول خورشيدي از لايه CISe:Na در ساختارهاي متفاوت اپتو الكترونيكي بهره برد.

The absorbent layer of the heart is a solar cell that plays an important role in its function. In recent years, Cu (In, Ga) Se2 has been highly regarded as an absorbent layer in chalcogenide solar cells. In this research, a cheap, fast and commercially available spray pyrolysis method has been used to make CISe layers. Then, the effect of soaking time of samples in sodium-containing solution on the electrical, optical, structural and morphological properties of the sprayed layers was investigated and the optimal amount of sodium in the structure was introduced. Analyzes performed to evaluate these features include X-ray diffraction pattern (XRD), field emission electron microscopy (FESEM) with elemental analysis (EDS), transmittance spectroscopy (UV-Vis), electrochemical analysis of Mott-Schottky and current-voltage curve measurements in the dark ambient. The results show that the change of soaking time in the solution and consequently the amount of sodium in the structure affects the crystallinity and morphological properties of the layers. The layers resulting from the soaking time of 15 minutes are finer than 5 and 10 minutes and are also porous in the cross-sectional area images. While the best crystallinity and maximum porosity of the mobility (~10-1cm2 / V.s) were obtained for a sample with a soaking time of 10 minutes. Sodium diffusion in the structure changed from ~1019cm-3 to ~1017cm-3. However, the energy levels of the band structure do not change significantly as the soaking time changes. On the other hand, by changing the soaking time of the direct band gap from 1.38 to 1.41 eV has changed. So that the expansion of the band gap with a value of 1.41 eV is visible for the optimal amount of sodium with a soaking time of 10 minutes. In general, according to the results of this study, the CISe:Na layer can be used in various optoelectronic structures by using the optimized amounts of sodium in the structure of the solar cell.