Obtenção por spin coating de filmes finos do sistema Cu(In,Ga)(S,Se)2 e caracterização microestrutural e de propriedades de interesse para utilização como camadas absorvedoras em células fotovoltaicas

Abstract

O presente trabalho investiga a obtenção de filmes finos de calcopiritas do sistema Cu(In,Ga)(S,Se)2 com propriedades de interesse para utilização como camadas absorvedoras em células fotovoltaicas, através de um processo em duas etapas, utilizando a técnica de spin coating para deposição dos precursores. Para isso foram desenvolvidas quatro soluções precursoras com diferentes estequiometrias (rica e pobre em cobre, com e sem adição de gálio). Estas soluções foram então depositadas em substratos de vidro sodocálcico por spin coating e, em seguida, calcinadas a 390ºC por 4 minutos. As etapas de deposição e tratamento térmico foram repetidas três vezes para cada amostra. Obtém-se então um filme de óxidos amorfos dos metais adicionados. Após a tratamento térmico, as amostras foram submetidas a diferentes processos de sulfurização e/ou selenização, utilizando diferentes temperaturas (25 a 550°C, 500 a 550°C, 450°C) e fontes de enxofre e selênio (S e Se). Algumas amostras sofreram ainda um processo de redução do filme depositado antes do seu tratamento em atmosfera de enxofre e/ou selênio. Por difração de raios X, determinou-se que após os tratamentos todas as amostras apresentaram estruturas calcopiríticas do sistema Cu(In,Ga)(S,Se)2 de diferentes composições, além de fases secundárias em menor quantidade, variando de acordo com a estequiometria da solução precursora e do tratamento utilizado. Entre as amostras ricas em cobre, as tratadas previamente em atmosfera redutora e as tratadas entre 500 e 550°C mostraram uma maior densificação do filme, além um maior tamanho de grão. Dentre as amostras deficientes em cobre, as amostras que sofreram tratamento de selenizaçao e sulfurizaçao apresentaram maior tamanho de grão. Com as amostras preparadas foram obtidos band gaps entre 1,18 e 1,67eV, utilizando para isso o sistema pentanário Cu(In,Ga)(S,Se)2.

This work investigates the development of thin films of the chalcopyritic system Cu(In,Ga)(S,Se)2 with properties of interest for use as absorber layers in photovoltaic cells, through a two-stage process, using the spin coating technique to deposit the precursors. For that, four precursor solutions with different stoichiometries (copper-rich and poor, with and without the addition of gallium) were developed. These solutions were then deposited on soda-lime glass substrates by spin coating, and then calcined at 390ºC for 4 minutes. The deposition and calcination stages were repeated three times for each sample. After these stages, amorphous oxide thin films were obtained. After therma treatment, the samples were subjected to various sulfurization and/or selenization processes, using different temperatures (25 to 550°C, 500 to 550°C) and sources of sulfur and selenium (S and Se). Some samples were also exposed to a reduction process prior to the treatment in atmosphere of sulfur and / or selenium. By X-ray diffraction, it was determined that, after the treatment, all samples showed chalcopyritic structures of the system Cu(In,Ga)(S,S)2 with different compositions, in addition to secondary phases in small amounts, varying with the stoichiometry of the precursor solutions and the treatment. Among the copper-rich samples, the ones that were reduced and then treated between 500 and 550 ° C showed greater densification of the film, plus a larger size of grain. Among the copper-poor samples, the ones that suffered treatment of selenization and sulfurization had greater grain size. With the prepared samples were obtained band gaps between 1.18 and 1.67 eV, using the pentanary system Cu(In,Ga)(S,S)2.