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Impacts of surface and thermal treatments on the performance of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films photovoltaic device
Quynh Nhu Nguyen
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie und Technologie der Materialien
Betreuer*in
Eleonora H. G. Mezger-Backus
DOI
10.25365/thesis.66506
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17613.77688.698168-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Kësterit Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZT(S,Se)) Dünnschichtmaterialien als Absorberschicht in Solarzellen zählen zu den vielversprechenden neuen Photovoltaiktechnologien. Dass sie vollständig aus nicht-toxischen Elementen bestehen, die im Überschuss in der Erdkruste vorhanden sind und zusätzlich äußerst kosteneffizient in der Produktion sind, und dennoch einen Wirkungsgrad von deutlich über 10% erreichen, zählt zu ihren wesentlichsten Vorteilen.
Diese Diplomarbeit ist ein kooperatives Projekt, welches von der Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unterstützt, und zwischen dem Austrian Institute of Technology (AIT) und der Universität Wien durchgeführt wurde.
Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, CZT(S,Se)-Solarzellen mittels einer Lösung in der sich die Vorläuferelemente Cu, Zn, Sn und Chalkogene wie Schwefel und Selen befinden, herzustellen. Die Synthese von einer derartigen Kësterit CZT(S,Se) Hochleistungssolarzelle trifft auf die Herausforderung, dass sich beim Kristallisationsprozess Sekundärphasen aus Zn-reichen und Cu-armen Umgebungen aufgrund einer Nicht-stöchiometrie bilden können, welche die photovoltaischen Eigenschaften der Solarzellen negativ beeinflussen können.
Der Herstellungsprozess der CZT(S,Se)-Absorberschichten wird aufgrund dessen modifiziert und optimiert, indem diese Sekundärphasen mittels Rasterelektronenmikroskop, Röntgenbeugung und Raman Spektroskopie identifiziert und anschließend durch chemisches Ätzen, wie zum Beispiel mit einer HCl- oder KCN-Lösung, selektiv entfernt werden. Die Auswirkungen des chemischen Ätzens werden anhand von den Reaktionsbedingungen systematisch in Bezug auf Ätzzeit und Konzentration untersucht und optimiert. Die daraus gewonnenen CZT(S,Se)-Absorberschichten werden anschließend in Solarzellen eingebunden und mit modernen Technologien der Photovoltaikmessmethoden charakterisiert um wichtige Informationen aus den Strom-Spannungs-Kurven und des Externen Quantenwirkungsgrades zu erhalten.
Am Ende dieser Arbeit wurde eine CZT(S,Se)-basierte Solarzelle hergestellt, welche nach einem systematischen Optimierungsprozess des chemischen Ätzens einen Wirkungsgrad von 8.3% aufweisen konnte.
Abstract
(Englisch)
Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZT(S,Se)) kesterite thin film absorber materials in solar cells are a key material in the emerging photovoltaic (PV) technologies since they are non-toxic and consist entirely of earth abundant elements, while still reaching an efficiency above 10%. Due to their abundancy, low-production cost, non-toxicity and efficiency, they are a promising contestant in renewable energy technologies.
This thesis is a cooperative project funded by the Austrian Research Promotion Agency (FFG) and coordinated by the Energy Conversion and Hydrogen Department of the Austrian Institute of Technology (AIT) and the University of Vienna.
The aim of this thesis is to fabricate a CZT(S,Se)-based photovoltaic device in which the CZT(S,Se) thin film absorber layer is prepared using a Cu, Zn, Sn and chalcogenide-based precursor ink. The synthesis of CZT(S,Se) absorbers for high-performing PV devices inaugurate challenges of secondary phase growth in Zn-rich and Cu-poor environment caused by off-stoichiometric conditions.
The CZT(S,Se) absorber layer will be therefore modified and optimized by eliminating unwanted secondary phases, such as Cu2S and/or SnS2, which degrades the performance of a photovoltaic device.
The secondary phases will firstly be identified using structural characterization methods such as scanning electron microscopy and X-Ray diffraction and selectively removed using chemical etchants such as KCN and HCl. The process of chemical etching will be systematically studied and modified to the optimum in concentration and etching time.
The CZT(S,Se) thin film absorber acts as a component of a photovoltaic device which will be studied with state-of-the-art characterization techniques such as current-voltage analysis and quantum efficiency measurement.
To further improve the performance of the PV device, thermal treatment of the PV device on a hot plate will be undergone.
Through a set of deposition, the systematic analysis and optimization of etching parameters and thermal treatment of the CZT(S,Se)-absorber layer, a PV device with a conversion efficiency of 8.3% was obtained by the end of the study.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kesterit CZTS CZTSe CZTSSe Solarzelle Dünnschichtsolarzelle Photovoltaik chemisches Ätzen
Autor*innen
Quynh Nhu Nguyen
Haupttitel (Englisch)
Impacts of surface and thermal treatments on the performance of Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films photovoltaic device
Paralleltitel (Deutsch)
Auswirkungen der Oberflächen- und Wärmebehandlungen auf die Leistung von Cu2ZnSnS4 (CZTS) Dünnschichtsolarzellen
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
58 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Eleonora H. G. Mezger-Backus
AC Nummer
AC16336443
Utheses ID
58917
Studienkennzahl
UA | 066 | 658 | |