Hydrothermal Deposition of Antimony Chalcogenide Thin Films for Planar Heterojunction Solar Cells

Abstract

Antimony chalcogenides, Sb2(S(1-x),S(x))3, are environmentally benign and cost effective. Their quasi-one-dimensional crystal structure and advantageous optoelectronic characteristics renders them as an emerging technology for the absorber layer in superstrate thin film solar cells. Recently, a simple solution-based hydrothermal deposition method has been shown to produce high quality antimony chalcogenide films, resulting in a state-of-the-art power conversion efficiency of 10.75% for solar cells based on a CdS substrate. Following the deposition, a chemical treatment and an annealing step are frequently used to enhance crystallinity and passivate defects of the absorber layer, and are often the subject of investigation. In this work, the fabrication process of Sb2(S,Se)3 films prepared at the Nanofabrication for Optoelectronic and Energy Applications (NOEA) group of the International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) is consolidated, and serves as a stepping stone for further studies. Namely, the annealing process is optimized for a temperature of 350°C, by obtaining contaminant-free and crystalline films, while guaranteeing preferential crystallite orientation. Furthermore, a NaF chemical treatment employed prior to the annealing step, revealed that the alkaline solution can promote a mild S/Se composition gradient by etching the sulfur-rich top layers of the films, which has been associated with increased charge extraction. Finally, a non-toxic TiO2 substrate was deemed inadequate for the hydrothermal nucleation of the Sb2(S,Se)3 material due to the lack of a chemical bridge between the two layers, resulting in absorber films with low compactness, and prepared solar cells that could not surpass the 0.38% efficiency mark.

Os calcogenetos de antimónio, Sb2(S(1-x),S(x))3, são ambientalmente benignos e económicos. A sua estrutura cristalina quasi-unidimensional e características optoeletrónicas vantajosas tornam estes materiais desejáveis, enquanto camada absorvente em células solares de filmes finos, baseadas em arquiteturas de superstrato. Recentemente, o desenvolvimento de um simples método de deposição hidrotermal tem demonstrado capacidade para produzir filmes de calcogeneto de antimónio de alta qualidade, resultando numa eficiência de conversão de energia de ponta de 10.75% para células solares que utilizam um substrato de CdS. Após a deposição, um tratamento químico e uma etapa de recozimento são comummente usados para melhorar a cristalinidade e passivar defeitos da camada absorvente, sendo frequentemente objeto de investigação. Neste trabalho, o processo de fabricação de filmes de Sb2(S,Se)3 preparados no grupo Nanofabrication for Optoelectronic and Energy Applications (NOEA) do Laboratório Internacional Ibérico de Nanotecnologia (INL) é consolidado, e serve como ponto de partida para estudos futuros. Nomeadamente, o processo de recozimento é otimizado para uma temperatura de 350°C, produzindo filmes cristalinos e livres de contaminantes, garantindo igualmente uma orientação preferencial dos cristalitos. Além disso, um tratamento químico com NaF realizado antes da etapa de recozimento, revelou que a solução alcalina pode promover um gradiente de composição S/Se mais suave ao remover as camadas superiores dos filmes ricas em enxofre, o que tem sido associado na literatura a uma favorecida extração de portadores de carga. Por fim, verificou-se que um substrato de TiO2 não tóxico é inadequado para a nucleação hidrotermal do Sb2(S,Se)3, devido à falta de uma ligação química entre as duas camadas, resultando em filmes absorventes com baixa compacidade e células solares com eficiências abaixo de 0.38%.