Sb2Se3 absorber layered solar cell fabrication and characterization

Abstract

Thin-film antimony selenide (Sb2Se3) solar cells have gained attention as a high-potential photovoltaic technology around the world. Outstanding features like a high absorption coefficient, a suitable direct bandgap, and good hole mobility make Sb2Se3 a promising absorber material for solar cell applications. It has demonstrated a very rapid growth reaching 9.2% power conversion efficiency (PCE) in only 7 years after intensive studies. In the present thesis, first of all Sb2Se3 thin films were deposited on soda lime glasses (SLGs) and investigated using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), spectrophotometry and Raman spectroscopy. Structural and optical studies were carried out depending on the thickness, used argon (Ar) gas flow rate and post-annealing temperature of the Sb2Se3 films in order to optimize the absorber layer to be used in solar cell. This study revealed that key parameters such as band gap energy and crystal structure of the Sb2Se3 thin films affected by the thickness, Ar gas flow rate during deposition and post-annealing temperature. In addition, oxide phase formation was also found to be related to these growth parameters. Finally, SLG/ITO/Zn(O,S)/Sb2Se3/Ag for superstrate configuration and both SLG/Mo/Sb2Se3/CdS/ITO and SLG/Mo/Sb2Se3/CdS/ZnS/ITO devices fabricated for substrate configuration solar cells. Since Zn(O,S)/Sb2Se3 heterojunction has not been studied before in the literature, this study will be the first. At the end of the electrical analysis, the best conversion efficiency of 3.9% was achieved by the solar cell with the substrate configuration.

İnce film antimon selenit (Sb2Se3) güneş hücreleri, yüksek potansiyele sahip fotovoltaik teknoloji olarak dünya çapında dikkat çekmektedir. Yüksek absorpsiyon katsayısına sahip olması, uygun bir doğrudan geçişli bant aralığına sahip olması ve yeterli düzeyde delik hareketliliğine sahip olması, Sb2Se3'ü güneş pili uygulamaları için umut verici bir emici malzeme yapmaktadır. Yoğun çalışmalar sonucunda, sadece 7 yıl içinde %9,2 güç dönüşüm verimliliğine ulaşan çok hızlı bir gelişme göstermiştir. Bu tezde, öncelikle soda kireç camları (SLG'ler) üzerine Sb2Se3 ince filmler biriktirilmiş ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM), spektrofotometri ve Raman spektroskopisi kullanılarak incelenmiştir. Güneş hücresinde kullanılacak soğurucu katmanı optimize etmek için Sb2Se3 filmler film kalınlığına, büyütme sırasında kullanılan argon (Ar) gaz akış oranına ve tavlama sıcaklığına bağlı olarak yapısal ve optiksel olarak karakterize edilmiştir. Bu çalışma, Sb2Se3 ince filmlerin bant aralığı enerjisi ve kristal yapısı gibi anahtar parametrelerinin, film kalınlığından, büyütme sırasında kullanılan Ar gaz akış oranından ve tavlama sıcaklığından etkilendiğini ortaya koymuştur. Ayrıca oksit faz oluşumunun da bu büyütme parametreleri ile ilişkili olduğu bulunmuştur. Son olarak, altlık üstte dizilimde güneş hücresi için SLG/ITO/Zn(O,S)/Sb2Se3/Ag ve alttaş dizilimde güneş hücresi için hem SLG/Mo/Sb2Se3/CdS/ITO hem de SLG/Mo/Sb2Se3/CdS/ZnS/ITO cihazları üretilmiştir. Zn(O,S)/Sb2Se3 farklı türden eklemi literatürde daha önce çalışılmamış olduğundan bu çalışma bir ilk olacaktır. Elektriksel analizler sonucunda, %3.9'luk en iyi dönüşüm verimi, alttaş dizilimdeki güneş hücresi tarafından elde edilmiştir.