Calcogenetos fotovoltaicos: pontos quânticos, nanofios e filmes finos

Henrique Limborço

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-AUUL5T

Type:	Tese de Doutorado
Title:	Calcogenetos fotovoltaicos: pontos quânticos, nanofios e filmes finos
Authors:	Henrique Limborço
First Advisor:	Juan Carlos Gonzalez Perez
First Referee:	Franklin Massami Matinaga
Second Referee:	Luciano Andrey Montoro
Third Referee:	Euclydes Marega Junior
metadata.dc.contributor.referee4:	Marcio Daldin Teodoro
Abstract:	As células solares policristalinas de maior eficiência são baseadas nas camadas absorvedoras dos compostos de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Visando à aplicação dos conceitos de células solares nanoestruturadas, as nanoestruturas 0D e 1D de CuInSe2 (CISe) são de grande interesse. Neste trabalho mostramos processos de crescimento compatíveis com técnicas de vácuo, coevaporação, em superfície amorfa de nanofios (NWs) e nanodots (NDs). O processo apresentado para o crescimento de NWs resulta em amostras compostas por NWs de CISe crescidos no topo de uma camada base policristalina de CISe. As nanoestruturas foram extensamente caracterizadas por microscopia eletrônica de transmissão, confirmando a sua composição e estrutura cristalina com baixa densidade de defeitos estruturais. A Partir dessas análises, inferimos que os NWs crescem ao longo da direção cristalina [111]. A camada base policristalina possui estrutura tetragonal e é opticamente ativa, conforme comprovado por experimentos de difração de raios-x e fotoluminescência, respectivamente. O potencial de aplicação para conversão de energia fotovoltaica do material composto camada-base/NWs de CISe é mostrado através da refletividade reduzida do material e sua intensa emissão de fotoluminescência. As propriedades das amostras de NDs crescidas por coevaporação,tais como, densidade superficial das nanoestruturas, tamanho médio e energia de emissão ótica, podem ser controladas através da mudança na temperatura do crescimento. Experimentos de microscopia eletrônica de transmissão confirmam a cristalinidade dos NDs, assim como sua composição química e estrutura cristalina compatível com CuInSe2. Experimentos de fotoluminescência dos NDs passivados com CdS mostram que as nanoestruturas são ativas optoeletrônicamente com uma emissão larga, que se estende para energias acima do bandgap do CuInSe2 e, em concordância com a distribuição de tamanhos. Um desvio para o azul da luminescência é observado quando o tamanho médio dos NDs diminui, evidenciando os efeitos de confinamento quântico em todas as amostras. Usando cálculos simples de confinamento quântico, correlacionamos a energia de pico da emissão de fotoluminescência com os tamanhos médios dos NDs. As células solares baseadas na tecnologia dos compostos Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) já nos primeiros passos de implementação mostraram grande potencial para coleção de energia solar com baixo custo quando comparadas às tecnologias do CIGS (devido à escassez de In e seu alto custo, que limitam sua aplicabilidade). Um assunto importante na fabricação das células solares de CZTSe é o controle das fases cristalinas e da composição química durante a deposição, já que a formação de compostos secundários e ternários é favorecida em condições de crescimento fora da estequiometria. Devido às similaridades estruturais, torna-se uma tarefa difícil identificar a presença de tais fases indesejáveis, como Cu2SnSe3 (CTSe), que possui bandgap pequeno e pode formar curtos-circuitos na camada absorvedora. Neste trabalho produzimos amostras de filmes finos de CTSe por coevaporação e as amostras foram analisadas por experimentos de elipsometria espectroscópica. Com a parametrização dada para a função dielétrica do CTSe, a identificação da presença do composto ternário nos filmes de CZTS pode ser realizada in situ, de forma rápida e não destrutiva. Os métodos apresentados para crescimento de nanoestruturas de CISe e filmes finos de CTSe são baseados na evaporação dos elementos constituintes sob condições de vácuo utilizando substratos de Si, o que os torna compatíveis com a fabricação de dispositivos fotovoltaicos de alta eficiência e permite a integração com a maioria das técnicas utilizadas na indústria de semicondutores.
Abstract:	The most efficient polycrystalline solar cells are based on the Cu(In,Ga)Se2 compound as a light absorption layer. In view of new nanostructured solar cell concepts, CuInSe2 0D and 1D nanostructures are of high interest. In this work, we report CuInSe2 nanowires (NWs) and nanodots (NDs) grown by a vacuum compatible growth process, coevaporation, on an amorphous surface. The presented growth process for the NWs results in a composite material consisting of CISe NWs on top of a polycrystalline CISe base layer.The nanostructures were extensively characterized by transmission electron microscopy, confirming their composition and atomic-scale crystal structure with a very low number of structural defects. From these analyses, we infer that the growth axis is along the [111] direction. The polycrystalline base layer has a tetragonal chalcopyrite structure and is optically active as confirmed by X-ray diffraction and photoluminescence (PL) analysis, respectively. Potential applications of this composite CISe NW/base-layer material for photovoltaic energy conversion are supported by the reduced reflectivity of the material and its strong PL intensity. The properties of CuInSe2 NDs samples grown by coevaporation, such as nanostructures areal density, mean size, and peak optical emission energy can be controlled by changing the growth temperature. Scanning transmission electron microscopy measurements confirmed the crystallinity of the NDs as well as chemical composition and structure compatible with tetragonal CuInSe2. Photoluminescence measurements of CdS-passivated NDs showed that the nanodots are optoelectronically active with a broad emission extending to energies above the CuInSe2 bulk band gap and in agreement with the distribution of nanostructures sizes. A blueshift of the luminescence is observed as the average size of the NDs get smaller, evidencing quantum confinement in all samples. By using simple quantum confinement calculations, we correlate the photoluminescence peak emission energy with the average size of theNDs. Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells technology, already in the first steps of implementation has shown a great potential for low cost solar energy harvesting in comparison with CIGS related compounds (due to In scarcity and high cost that limits its applicability). An important issue in the fabrication of CZTS solar cells is the crystalline phase and chemical composition control during deposition, since the formation of secondaryand ternary phases can be favored in out of stoichiometry growth conditions. Due to structural similarities, its a difficult task to detect the presence of unwanted crystalline phases, such as Cu2SnSe3 (CTSe) that has a low bandgap and can shunt the devices absorption layer. In this work we produced CTSe thin films by coevaporation and thesamples were analyzed by spectroscopic ellipsometry experiments. With the given dielectric function parametrization, the in situ identification of ternary compound formation in CZTS could be performed in a fast and nondestructive way. Furthermore, the presented growth method for CISe nanostructures and for CTSe thin films is based on elemental evaporation under vacuum conditions using Si wafers as substrates, which makes the process compatible with the fabrication of highefficiency photovoltaic devices and Si compatible, allowing for integration with the most of techniques used in semiconductor industry
Subject:	Calcogeneto Nanofios Pontos quânticos Filmes finos Celulas solares
language:	Português
Publisher:	Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials:	UFMG
Rights:	Acesso Aberto
URI:	http://hdl.handle.net/1843/BUOS-AUUL5T
Issue Date:	11-May-2017
Appears in Collections:	Teses de Doutorado

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