Investigation of absorber and heterojunction in the pure sulphide kesterite

Abstract

This paper aims to study the properties of the absorber layer and the heterojunction in kesterite solar cells. The Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films were layered on a glass substrate from a colloidal solution of metal salts and thiourea dissolved in a mixture of water and ethanol and deposited by spin coating technique. The samples were then heat treated in a furnace, in the presence of sulphur powder and under a nitrogen gas flow. The results revealed the formation of homogeneous layers of a pure kesterite phase of CZTS crystallites after heat treatment with correct stoichiometry and oxidation states. The optical transmission measurements indicate an energy band-gap of 1.4 eV and an absorption coefficient of 104 cm−1. These CZTS thin films, elaborated by spin coating process, were integrated for electronic properties evaluation in a heterojunction in the following configuration: SnO2:F (FTO) and Molybdenum as back contact, CdS as tampon and the CZTS film as absorber layer. The band alignment at the CdS–CZTS heterojunction indicates a cliff-like conduction band offset (CBO) even close to be a flat band. Resumen: Este trabajo tiene como objetivo estudiar las propiedades de la capa absorbente y la heterojunción en las células solares de kesterita. Las finas películas de Cu2ZnSnS4 (CZTS) fueron colocadas en capas sobre un sustrato de vidrio a partir de una solución coloidal de sales metálicas y tiourea disueltas en una mezcla de agua y etanol, y depositadas mediante la técnica de revestimiento por centrifugado. A continuación las muestras se trataron térmicamente en un horno, en presencia de polvo de azufre y bajo un flujo de gas nitrógeno. Los resultados revelaron la formación de capas homogéneas de una fase de kesterita pura de los cristales de CZTS después del tratamiento térmico con la estequiometría y los estados de oxidación correctos. Las mediciones de la transmisión óptica indican una brecha en la banda de energía de 1,4 eV y un coeficiente de absorción de 104 cm−1. Estas películas delgadas de CZTS, elaboradas por el proceso de revestimiento de espín, se integraron para la evaluación de las propiedades electrónicas en una heterojunción en la siguiente configuración: SnO2: F (FTO) y molibdeno como contacto posterior, CdS como tampón y la película CZTS como capa absorbente. La alineación de la banda en la heterojunción CdS-CZTS indica un desplazamiento de la banda de conducción (CBO) similar al de un acantilado, incluso cerca de ser una banda plana.

Keywords

• Kesterita
• CZTS
• Películas delgadas
• Heterojunción
• Alineación de bandas