Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 25, Numéro 12, décembre 1990
Page(s) 1213 - 1223
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:0199000250120121300
Rev. Phys. Appl. (Paris) 25, 1213-1223 (1990)
DOI: 10.1051/rphysap:0199000250120121300

Effet du rapport Cu/In sur la structure des couches minces de CuInS2 airless spray. Application : conversion photovoltaïque

S. Belgacem, M. Amlouk et R. Bennaceur

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Faculté des Sciences de Tunis, Campus Universitaire, 1060 Tunis, Tunisie


Abstract
The thin semiconducting layers of CuInS2 are elaborated by the airless spray technique, with differents ratio Cu/In in the solution varying from 0.8 to 1.3. The X ray analysis showed that two undesirable phases In 2S3 and In6S7 coexist with the CuInS 2 compound. When the ratio of Cu/In is greater than 1, with a concentration of indium of the order 3 × 10^-2 M, theses phases disappear. A CuInS 2 layers nearly stoichiometric (Cu/In in the layer equal to 1) are obtained when the ratio CuInS2 in the solution is equal to 1.1. At this value the layers are well cristallised and oriented preferentially in the direction (112). On the other hand the study of the I - V characteristic of the CdS/CuInS2 cells formed by the addition cadmium sulfide to this layers showed that the performances are closely connected to the chemical composition and the thickness of the absorber CuInS 2. For the thickness of 0.5 μm we have noted that the transport process are governed by the generation-recombinaison process (ideality factor A < 2) when the ratio Cu/In is equal to 1.1. The photovoltaic characteristic are relatively improved for an optimal thickness of 1 μm. In particular the factor A and leakage current Is are lowered respectively from 1.98 to 1.46 and from 4.28 μA to 0.34 μA subsequently to the lowering of the structure defects acting as recombinaison centers in the material. Under theses conditions, the open circuit voltage V co is equal to 350 mV, the short circuit current Icc of the order of 4.6 mA.cm-2 and the efficiency η of the order of 1 % (P = 100 mW.cm-2).


Résumé
Les couches minces semiconductrices de CuInS2 sont préparées par la technique de pulvérisation réactive et sans air (P.S.A.), avec différents rapports de concentrations Cu/In en solution variant de 0,8 à 1,3. Nous avons constaté par analyse aux rayons X qu'un excès d'indium engendre l'apparition de phases indésirables telles que In2S3 et In 6S7. Pour un rapport Cu/In supérieur ou égal à 1, avec une concentration d'indium de 3 × 10^-2 M, ces phases disparaissent. L'obtention des couches de CuInS2 proche de la stoechiométrie (Cu/In en couche égal à 1) nécessite un rapport Cu/In en solution égal à 1,1. Pour cette valeur, les dépôts sont bien cristallisés et orientés préférentiellement suivant la direction (112). D'autre part l'étude des caractéristiques intensité-potentiel des cellules CdS/CuInS2, formées par adjonction du sulfure de cadmium à ce type de couches, montre que leurs performances sont étroitement liées à la composition chimique et l'épaisseur de l'absorbeur CuInS 2. Pour une épaisseur de 0,5 μm, nous avons constaté que le processus de transport est gouverné par le processus de génération-recombinaison (facteur d'idéalité A < 2) lorsque le rapport Cu/In est égal à 1,1. Les caractéristiques photovoltaïques sont relativement améliorées pour une épaisseur optimale de 1 μm. En particulier le facteur A et le courant de fuite Is ont diminué respectivement de 1,98 à 1,46 et de 4,28 μA à 0,34 μA suite à une diminution des défauts de structure, agissant en tant que centres de recombinaison dans le matériau. Dans ces conditions, la tension de circuit ouvert Vco est de 350 mV, le courant de court-circuit Icc est de 4,6 mA.cm-2 et le rendement η est de l'ordre de 1 % (P = 100 mW.cm-2).

PACS
6855 - Thin film growth, structure, and epitaxy.
7360F - Electronic properties of semiconductor thin films.
7240 - Photoconduction and photovoltaic effects: photodielectric effects.
6480E - Stoichiometry and homogeneity.
7220J - Charge carriers: generation, recombination, lifetime, and trapping semiconductors/insulators.
7280G - Electrical conductivity of transition metal compounds.
2520M - Other semiconductor materials.
4210 - Photoconducting materials and properties.

Key words
copper compounds -- electron hole recombination -- indium compounds -- photoelectricity -- semiconductor thin films -- spray coatings -- stoichiometry -- ternary semiconductors -- X ray diffraction examination of materials -- preferential orientation -- Cu In ratio -- structure -- airless spray technique thin films -- thin semiconducting layers -- X ray analysis -- In sub 2 S sub 3 -- In sub 6 S sub 7 -- stoichiometric -- I V characteristic -- chemical composition -- transport processes -- generation recombination process -- ideality factor -- photovoltaic characteristic -- leakage current -- structure defects -- recombination centers -- open circuit voltage -- short circuit current -- efficiency -- 1 percent -- 350 mV -- CuInS sub 2 -- CdS CuInS sub 2