Meningkatkan Penyerap Surya Kesterit CZTSSe dengan Perlakuan Plasma Radio-Frekuensi

Abstrak

Kami menyajikan metode bebas hidrazin yang meningkatkan performa elektro-optikal dan struktural penyerap cahaya kesterit. Dengan mengekspos film Cu₂ZnSn(S,Se)₄ (CZTSSe) pada pelemasan plasma hidrogen lemah yang didayakan pada 13,56 MHz, kami mencapai sampel yang lebih seragam, regangan yang lebih rendah, dan struktur band yang dimodifikasi. Spektroskopi Raman, inframerah, dan reflektansi mengonfirmasi pengurangan refleksi dan celah band elektronik yang diubah setelah perlakuan RF.

Latar Belakang

Pembangkitan dan penyimpanan energi sangat penting seiring berkurangnya bahan bakar konvensional dan meningkatnya tuntutan ekonomi. Ini mendorong inovasi dalam teknologi penyerapan cahaya, dari silikon (Si) ke fotovoltaik III–V dan organik. Sel surya film tipis (TFSC) berdasarkan struktur kesterit Cu₂ZnSn(S,Se)₄ (CZTSSe) berkembang pesat karena konstituennya yang melimpah di bumi, non-toksis, dan celah band langsung sekitar 1,5 eV dengan koefisien absorpsi >10⁴ cm⁻¹ pada rentang terlihat. Rekerek efisiensi saat ini untuk prototipe CZTSSe adalah 12,6 persen [6]. Tantangan utama meliputi komposisi non-stoikiometrik, konsentrasi defek intrinsik, koesistensi fase, dan pengotor sekunder. Difraksi sinar X (XRD) konvensional sulit membedakan kesterit dari stannit atau fase yang dimodifikasi defek karena pola difraksi yang serupa dan perbedaan kecil dalam potongan siar Cu/Zn. Spektroskopi Raman menawarkan alternatif yang lebih mudah untuk mendeteksi fase sekunder dan menilai homogenitas struktural. Perangkat CZTSSe efisiensi tinggi sebelumnya menggunakan pertumbuhan berbasis hidrazin dan pengeringan pasca-pertumbuhan di N₂ dan udara, namun toksisitas hidrazin membatasi skalabilitas. Oleh karena itu, kami mengusulkan perlakuan pasca-pertumbuhan bebas hidrazin menggunakan plasma hidrogen yang dihasilkan dalam medan elektromagnetik RF, yang bertujuan untuk meningkatkan properti absorber bulk dan berlapis.

Metode

Perlakuan RF pada Sel Silikon
Uji awal menerapkan plasma hidrogen 13,56 MHz pada sel surya Si. Area uji adalah 2 cm² dan struktur meliputi grid depan Al, 50 nm Si₃N₄ antirefleksi, 30 nm SiO₂, lapis difusi n⁺⁺ dan n⁺, basis p-Si, junc p⁺, dan metalisasi belakang Al. Sampel dibagi menjadi kelompok referensi, dalam ruangan, dan luar ruangan. Masking mencegah pengikatan lapisan antirefleksi. Perlakuan menggunakan medium gas inersia dan bervariasi waktu paparan (1–15 menit) dan daya (0,19–2,25 W cm⁻²). Kamar beroperasi pada tekanan H₂ 0,2 Torr dengan tegangan substrat 1900 V pada suhu kamar. Pembersihan awal menggunakan plasma N₂ 150 W, 50 kHz (PlasmaEtch PE-50 XL). Parameter fotovoltaik diukur dengan sonde Kelvin dan perangkat lunak LabTraser NI, dan dianalisis melalui model dioda ganda [10]. Perlakuan RF pada Absorber CZTSSe
Regime RF optimal (0,8 W cm⁻² selama 15 menit) kemudian diterapkan pada tiga jenis sampel bulk CZTSSe: (i) prekursor ZnS/CuS/SnS yang diambil oleh flash evaporation pada kaca dengan lapis bawah Mo; (ii) kristal Bridgman yang ditumbuk pada kaca (dengan/tanpa Mo) pada suhu substrat yang bervariasi; dan (iii) film dibentuk oleh electron-beam evaporation untuk pembuatan perangkat. Transmisi dan refleksi spekuler diukur di seluruh 500–5000 cm⁻¹ menggunakan FTIR (Infralum FT-801) dengan konfigurasi A (ATR), B_s/B_d (spekuler/difusif), C (difusif), dan D (insiden normal). Spektra absorpsi diperoleh dari refleksi melalui integral dispersi [11,12]. Mikro-spektroskopi Raman (Horiba T64000, laser Ar⁺ 514,5 nm, 0,1 mW µm⁻²) menyediakan wawasan struktural; spektra dicatat dalam <1 menit per titik dengan objektif 50×, dirata-rata di berbagai lokasi untuk keseragaman.

Hasil dan Pembahasan

Dampak pada Sel Surya Silikon
Gambar 1 (tidak ditampilkan) mengilustrasikan karakteristik AM1.5 IU dari sel Si setelah perlakuan RF. Efisiensi dasar adalah 11,69 persen (FF 0,746). Setelah paparan 95 W, efisiensi naik menjadi 12,34 persen (FF 0,775); 225 W menghasilkan 12,29 persen (FF 0,783); 300 W mengurangi efisiensi menjadi 11,46 persen (FF 0,752), kemungkinan karena retakan kontak. Peningkatan arus pendek-sirkuit dan penurunan modest pada tegangan terbuka mengindikasikan passivasi ikatan longgar oleh atom H reaktif. Hasil ini mengonfirmasi bahwa plasma RF dapat memodifikasi parameter perangkat, meskipun optimasi diperlukan untuk sel film tipis. Properti Optik CZTSSe
Spektra refleksi sebelum dan setelah perlakuan RF (Gambar 2a) menunjukkan penurunan yang mencolok dalam refleksi antara 1,2–3 eV untuk sampel berlapis dan 2,4–3,3 eV untuk sampel bulk. Perbedaan ini muncul dari kontak Schottky dalam struktur berlapis versus sampel bulk bebas. Menggunakan refleksi spekuler insiden normal (konfigurasi D) memberikan data indeks refraksi dan koefisien punah yang paling andal; pengaturan ATR dan bola integrasi memperkenalkan kesalahan pergeseran fasa yang signifikan. Pengukuran transmisi–refleksi pada film bulk CZTS luas area (Gambar 2b) mengungkapkan pengurangan refleksi maksimal setelah 3 menit paparan RF. Koefisien absorpsi yang dihasilkan (Gambar 2c) meningkat di seluruh celah band, yang mengindikasikan penyerapan cahaya yang ditingkatkan. Analisis Drade menghasilkan peningkatan kecil dalam frekuensi plasma dari 2,278 eV ke 2,294 eV, yang mengindikasikan konsentrasi pengisi yang ditingkatkan. Komposisi Kimia oleh FTIR
Gambar 3 membandingkan spektrum FTIR bulk CZTS dengan dan tanpa perlakuan RF. Di seluruh 500–4000 cm⁻¹, sampel yang diobati menunjukkan penyerapan yang dikurangi dari C–N (1250/1600 cm⁻¹), C–C/C=C (1490–1650 cm⁻¹), CH_n (2870–3100 cm⁻¹), CO₂ (2350 cm⁻¹), dan air/organik (2700/3600 cm⁻¹). Penindasan ikatan sp² terhibridisasi mengonfirmasi pengosongan residu seperti grafit oleh ion H⁺. Spektroskopi Raman
Spektra Raman bulk CZTS (Gambar 4) menunjukkan puncak dominan pada 286 dan 335 cm⁻¹ (simetri A dan B) dan fitur yang lebih lemah pada 251, 305, 343, dan 356 cm⁻¹. Puncak kecil di dekat 329 cm⁻¹ menunjukkan gangguan anti-site Zn/Cu. Rasio intensitas I_329/I_335 = 0,11 sesuai dengan laporan sebelumnya untuk film tipis. Spektra pasca-RF (Gambar 5a) menunjukkan geser 2 cm⁻¹ dari pita 286 cm⁻¹ ke frekuensi yang lebih tinggi, lebar setengah maksimum setengah (22 cm⁻¹) yang berkurang, dan intensitas yang meningkat, yang menunjukkan pengurutan jaringan. Pita simetri A 335 cm⁻¹ juga bergeser sebesar 2 cm⁻¹ tanpa perubahan lebar. Rasio I_331/I_337 menurun menjadi 0,06, yang memperkuat pengurangan gangguan. Perubahan ini bertahan setidaknya selama satu bulan di udara. Untuk film tipis CZTSe (Gambar 5b), puncak Raman utama pada 193 dan 176 cm⁻¹ bergeser sebesar +2 cm⁻¹ setelah paparan RF, yang menunjukkan pengurangan defek struktural yang serupa.

Kesimpulan

Perlakuan plasma radio-frekuensi berbasis hidrogen (13,56 MHz, 0,8 W cm⁻², 15 menit) secara efektif meningkatkan properti optik dan struktural absorber bulk dan film tipis CZTSSe. Analisis Raman menunjukkan geser 2 cm⁻¹ dan penyempitan pita getaran kunci, yang membuktikan pengurutan jaringan. FTIR mengonfirmasi pengosongan pengotor berbasis karbon dan spesies terhibridisasi sp^n. Data refleksi–transmisi yang dikonversi menjadi spektrum absorpsi mengungkapkan penyerapan yang ditingkatkan dan peningkatan kecil dalam konsentrasi pengisi. Hasil ini menunjukkan bahwa langkah pemrosesan pasca bebas hidrazin dan kompatibel vakum dapat mengurangi regangan internal dan meningkatkan performa tingkat perangkat, menjadikannya cocok untuk produksi skalabel sel surya kesterit berlapis multilayer.

Singkatan

CZTS

Cu₂ZnSnS₄

CZTSe

Cu₂ZnSnSe₄

CZTSSe

Cu₂ZnSn(S,Se)₄

FTIR

Spektroskopi Transformasi Infra Merah

IR

Infra merah

RF

Radio Frekuensi

SCs

Sel Surya

TFSCs

Sel Surya Film Tipis

XRD

Difraksi Sinar X