Growth of Cu2ZnSnS4 Thin Films Using Moderate Annealing Temperature and Short Dwell Time

Yüksek Olmayan Tavlama Sıcaklığı ve Kısa Bekleme Süresi Kullanılarak Cu2ZnSnS4 İnce Filmlerin Üretimi

Abstract

In this study CZTS thin films were fabricated by a two-stage process that sputter deposition of metallic Cu, Zn, and Sn on Mo coated glass substrates and annealing process at 500 °C using various short dwell times (4, 8, and 12 min) using Rapid Thermal Processing (RTP) approach. The X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), and photoluminescence were employed to characterize the CZTS samples synthesized employing different sulfurization times. It was observed that all CZTS thin films showed Cu-poor and Zn-rich composition according to EDX results. XRD patterns displayed formation of kesterite CZTS and CuS secondary phases. Raman spectra of the films justified formation of kesterite CZTS phase for all CZTS thin films and formation of CTS phase, which is difficult to distinguish by XRD pattern of the films for CZTS-8 and CZTS-12 samples. SEM images of the films displayed dense, void-free, and inhomogeneous surface structure regardless of the sulfurization time. The optical band gap of the films as determined by photoluminescence was found to be about 1.36-1.37 eV.

Özet

Bu çalışmada CZTS ince filmler iki-aşamalı yöntem kullanılarak üretildi; Mo kaplı cam üzerine saçtırma yöntemiyle metalik Cu, Zn ve Sn katmanlarının kaplanması ve sonrasında bu katmanlı yapının 500 °C sıcaklık ve farklı kısa sürelerde (4, 8 ve 12 dakika) hızlı ısıl işlem (RTP) yaklaşımı ile tavlanması. Farklı tavlama süreleri ile üretilen CZTS örnekler X-ışını kırınımı (XRD), Raman spektroskopisi, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi (EDX) ve fotoluminesans teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Üretilen bütün CZTS örneklerin Cu-fakiri ve Zn-zengini kimyasal kompozisyona sahip olduğu ve XRD desenlerinde CZTS fazı oluşumun yanında CuS fazının da oluştuğu görülmüştür. Raman spektroskopisi ile hem CZTS fazının oluştuğu doğrulanmış olup hem de XRD ile ayırt edilemeyen CTS fazının oluştuğu tespit edilmiştir. SEM ile elde edilen film yüzey görüntülerinin sülfürleme süresinden bağımsız olarak yoğun, deliksiz ve homojen olmayan bir yapıya sahip oldukları tespit edilmiştir. Fotolüminesans spektrumları ile optik yasak enerji aralığının 1.36-137 civarında olduğu belirlenmiştir.