En skadlig reaktion mellan en Mo-bakkontakt och CZTS

Ordlista:
CZTS(e) Samlingsbeteckning för CZTS-solceller med antingen svavel (S) eller selen (Se). På samma sätt för andra ämnen med S(e).
Faser Här de olika strukturerna som kan bildas från grundämnena i CZTS.
Passivering Då ytor beläggs för att undvika reaktion och förbättra optiska och/eller elektriska egenskaper.

För att CZTS-solceller ska kunna förbättras och tävla med de liknande CIGS-solcellerna krävs mer förståelse för de kemiska processerna i materialet, särskilt då dessa skiljer sig från det mer undersökta CIGS. Exempelvis är det känt att CZTS-lagrets yta är känsligt för värme vilket leder till sönderdelning vid värmebehandling, särskilt under lågt tryck, då Sn(IV) i CZTS reduceras till Sn(II). I denna studie undersöktes en ytterligare konsekvens av denna instabilitet, vilket gav bevis för att det i gränsytan mellan CZTS(e) och bakkontakten Mo bildas MoS(e)2 och CZTS sönderdelas.

Det har redan visats att ett lager MoS(e)2 vanligen har bildats efter att CZTS(e)-prover värmebehandlats, dock har det inte tidigare bevisats att lagret har uppkommit från en reaktion mellan Mo och CZTS(e). Reaktionen föreslogs utgå ifrån CZTS och Mo och ge upphov till Cu2S(e), ZnS(e), SnS(e) samt MoS(e)2. Termodynamiska beräkningar på reaktionen påvisade att den föreslagna reaktionen är energimässigt motiverad, dock undersöktes i studien även experimentellt existensen av reaktionen. För detta användes prover med CZTS (med svavel) sputtrade på ett glas täckt av Mo som bakkontakt.

För att påvisa reaktionen krävdes förekomst av MoS2 på gränsytan mellan CZTS och Mo samt en separation av CZTS till Cu2S, ZnS och SnS vid bakkontakten. För att utesluta andra reaktioner som kan bilda MoS2 eliminerades alla andra källor till S, både vid sputtring och värmebehandling. Förekomst av de andra faserna samtidigt vid bakkontakten är svårt att hänvisa till någon annan process, dock minimerades alla processer som generellt kan leda till bildning av andra faser. Efter tillverkning och värmebehandling undersöktes faserna i den övre delen av CZTS-lagret, på baksidan av CZTS-lagret och i Mo-lagret. I den övre delen av CZTS-lagret återfanns inga andra faser, medan det på baksidan av CZTS-lagret påvisades Cu2S, ZnS och SnS och på bakkontakten återfanns MoS2. Alla dessa sågs växa i tjocklek för prover som värmebehandlats längre tid. Andra processer som skulle kunna ge bildning av dessa kan inte förklara resultaten tillsammans, alltså kan slutsatsen dras att den föreslagna reaktionen har ägt rum. På grund av likheter med CZTSe-solceller (med selen) finns troligen motsvarande reaktion även för dessa.

Denna process leder till negativa effekter för solcellens verkningsgrad eftersom de andra faserna ökar rekombinationen och försämras materialets kvalitet. För att producera solceller med hög prestanda krävs att processer som minskar kvaliteten hos CZTS-lagret elimineras. I detta fall kan det göras genom att ersätta Mo med ett annat material eller använda ett barriärlager för att passivera gränsytan. 

Läs originalartikeln här

Senast uppdaterad: 2023-06-26