Cтруктурні, оптичні і термоелектричні властивості плівок та наночастинок ZnO, CZTS, CZTSe для фото- і термоперетворювачів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена оптимізації основних фотоелектричних характеристик, а саме квантового виходу (Q), густини струму короткого замикання (Jsc), ефективності (η) плівкових ФЕП на основі ГП n-CdS(ZnSe, ZnS)/p-(CZTS, CdTe) із струмознімальними контактами n-ITO(ZnO); дослідженню морфологічних особливостей, структурних, субструктурних, оптичних, термоелектричних властивостей та елементного складу плівок ZnO, CZTS, нанесених методом пульсуючого спрей піролізу, для використання у ФЕП та наноструктурованого матеріалу на основі НЧ CZTSe, синтезованих колоїдним методом, для застосування у ТЕП, що можуть працювати паралельно з ФЕП. Встановлені взаємозв’язки між фізико- та хіміко-технологічними умовами нанесення плівок та синтезу НЧ, наноструктурованого матеріалу на їх основі, та структурними, субструктурними, оптичними, термоелектричними властивостями, елементним складом будуть використані для подальшого створення ФЕП та ТЕП з покращеними характеристиками.

Диссертационная работа посвящена оптимизации основных фотоэлектрических характеристик, а именно квантового выхода (Q), плотности тока короткого замыкания (Jsc), эфективности (η) плёночных ФЭП на основе ГП n-CdS(ZnSe, ZnS)/p-(CZTS, CdTe) с токособирающими контактами ITO(ZnO); исследованию морфологических особенностей, структурных, субструктурных, оптических, термоэлектрических свойств и элементного состава плёнок ZnO, CZTS, нанесённых методом пульсирующего спрей-пиролиза, для применения у вышеуказанных ФЭП и наноструктурированного материала на основе НЧ CZTSe, синтезированных колоидальным методом, для использования у ТЭП, которые могут работать паралельно с ФЭП. Установленные взаимосвязи между физико- и химико-технологическими условиями нанесения плёнок, синтеза НЧ, наноструктурированного материала на их основе, и структурными, субструктурными, оптическими, термоэлектрическими свойствами, элементным составом будут использованы для создания ФЭП и ТЭП с улучшенными характеристиками.

PhD thesis is devoted both to the optimization of basic photoelectric characteristics (quantum yield (Q), density of short circuit current (Jsc), efficiency (η)) of solar cells based on n-CdS(ZnSe, ZnS)/p-(CZTS, CdTe) heterojunctions with n-ITO(ZnO) frontal contacts, and to the investigation of morphological, structural, substructural, optical, thermoelectric properties and chemical composition of: (I) ZnO, CZTS films deposited by spray pyrolysis for application in solar cells; (II) nanostructured materials based on CZTSe nanocrystals synthesized by colloidal method for application in thermoelectric devices which can work simultaneously with solar cells. In the work, modeling approbation was performed by means of investigating the effect of optical and recombination losses on Q, Jsc, η of solar cells based on n-CdS(ZnS)/p-CdTe heterojunctions. Afterwards, the investigation of these losses on the photoelectric characteristics of solar cells based on n-CdS(ZnSe, ZnS)/p-CZTS heterojunctions with n-ITO(ZnO) frontal contacts was carried out with the help of the approbated procedure. Taking into account the results of mathematical modeling, the solar cells based on ZnO frontal contact and CZTS absorber layer were considered. For this purpose, the automated setup for the deposition of ZnO and CZTS films by pulsed spray pyrolysis technique was developed. The in-depth investigation of influence of the main growth conditions of layers’ deposition (substrate temperature (Ts), volume of initial precursor (Vs)) on structural (grains size, phase composition, texture quality, lattice parameters), substructural (coherent scattering domain sizes, level of microdeformations and microstresses, density of dislocations at the boundaries and in the volume of subgrains), optical (transmission coefficients, absorbance, band gap) properties and chemical composition of ZnO, CZTS films, as well as the determination of optimal conditions to obtain the specified films were carried out. Since the solar cells operate at the elevated temperatures, it was proposed to use the additional thermal energy by means of its conversion into electrical energy by use of the thermoelectric devices. For this purpose, the nanostructured thermoelectric material based on CZTSe nanocrystals synthesized by the colloidal method was obtained. The influence of kinetic conditions, namely type of phosphonic acid, on morphological (size, shape), structural (phase composition), optical (absorbance, band gap) properties and chemical composition of CZTSe nanocrystals was determined. The influence of chemical composition on the main thermoelectric properties (concentration (p) and mobility ( u ) of majority charge carriers, relative electrical conductivity ( k ), Seebeck coefficient (SZ)) of nanostructured material based on CZTSe nanocrystals was investigated. The established correlations between the film, nanocrystals growth conditions and structural, substructural, optical, thermoelectric properties, chemical composition will be applied for further development of solar cells and thermoelectric devices with the enhanced characteristics.