Instituto Politécnico Nacional, Secretaría de Investigación y Posgrado Convocatoria de Proyectos Multidisciplinarios de Investigación
Científica y Tecnológica 2011
INFORME TÉCNICO PARCIAL Módulo 1
Avance reportado 35%
Título del programa, clave 1267: Mediano Plazo: 2011-2012 ESTUDIO DE MATERIALES PARA CELDAS SOLARES DE PELICULA DELGADA BASADAS EN CUINSE2 Y PROSPECCIÓN FOTOVOLTAICA EN EL SUR DE TAMAULIPAS. Coordinador del Programa: Dr. Felipe Caballero Briones, CICATA-Altamira Módulos que conforman el programa:
1. Desarrollo de metodos electroquimicos avanzados para la preparación de películas de CuInSe2 (CIS) y de heteroestructuras CIS/CdS para celdas solares prototipo. Director: Dr. Felipe Caballero Briones, CICATA-Altamira. (LGAC de Ingeniería y Procesamiento de Materiales).
2. Efecto de los parámetros de crecimiento en películas delgadas de ZnO y ZnO:Al depositadas por rocío pirolítico ultrasónico para su posible aplicación en Celdas Solares de CuInSe2 (CIS). Director: MC Fabio Chale Lara, CICATA-Altamira. (LGAC de Ingeniería y Procesamiento de Materiales)
3. Caracterizaciones ópticas de heteroestructuras CuInSe2. Director: Dr. Eugenio Rodriguez González, CICATA-Altamira. (LGAC de Tecnología Láser)
4. Monitoreo de celdas fotovoltaicas bajo condiciones ambientales reales. Director: Dr. David
Alberto Rivas Camargo, CICATA-Altamira. (LGAC de Ciencias Oceánicas Aplicadas e Ingeniería Costera)
Resumen
Durante el año 2011 se dio inicio a este Programa Multidisciplinario. Se acondicionaron los espacios físicos del laboratorio, se construyeron campanas de humos, se adquirieron material y reactivos y el equipo para montar las técnicas de caracterización ópticas, la de preparación de películas por spray pyrolysis y la prospección fotovoltaica en CICATA. Se impartió un curso de Técnicas Nanométricas a los estudiantes de CICATA Altamira. Se incorporó una estudiante de Maestría. Se puso en operación el método del baño químico y se prepararon y caracterizaron películas de CdS:Mg como parte de una colaboración interinstutucional. Con los resultados se está terminando un artículo próximo a enviarse a publicación. Se prepararon algunas películas de CuInSe2 por un método de electrodepósito pulsado y se estudiaron algunas de sus propiedades.
Introducción Esta Memoria destaca fundamentalmente la creación del Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos en CICATA Altamira. Se conjuntaron los recursos financieros de los cuatro módulos de este programa para tres grandes objetivos: i) la adecuación de los espacios incluyendo construir enteramente campanas de extracción, divisiones para alojar cinco laboratorios relacionados con las líneas de este grupo y hacer todas las instalaciones eléctricas e hidráulicas correspondientes. ii) adquirir los equipos necesarios para completar las técnicas de que se disponía y montar un laboratorio especializado en caracterizaciones ópticas y iii) adquirir los consumibles e insumos necesarios para operar y darle atención a los estudiantes que se incorporaran al proyecto. Este primer año se captó únicamente un estudiante, pero con la atracción de la infraestructura y las líneas de trabajo propuestas, nuestro grupo recibió otros nueve estudiantes de posgrado y dos de licenciatura para el próximo ciclo. Es destacable la sinergia lograda con las colaboraciones que este programa tiene con las instituciones nacionales y del extranjero invitadas a participar, al grado que se consiguió escribir con los resultados obtenidos un primer artículo que será enviado próximamente a publicación y se impartió un curso de alto nivel en el CICATA, en el marco de la Semana Nacional de Ciencia y Tecnología de la cual fuimos sede regional en Tamaulipas. Del mismo modo, con los avances realizados se consiguió ampliar el espectro de colaboraciones hacia otra Universidad nacional, a la que se le transferirá la tecnología del baño químico y con la que se participará en dos proyectos a financiarse por CONACYT. Objetivos alcanzados Se adquirió lo necesario para completar y actualizar los sistemas para el crecimiento de películas de los diferentes materiales que conforman una celda solar basada en CuInSe2. Se implementó la preparación de películas de CuInSe2 con características fotovoltaicas por un método pulsado desarrollado recientemente. Se terminará de construir un nuevo sistema para el depósito de películas transparentes conductoras de ZnO:Al por spray pyrolysis. Se inició el crecimiento de películas de CdS por la técnica de baño químico con incorporación de impurezas extrínsecas y se estudió el efecto correspondiente en las propiedades optoelectrónicas y la respuesta de fotocorriente. Se realizó un análisis de las bases de datos disponibles y se relacionó con medidas experimentales de las estaciones regionales de la CONAGUA Se inició en este módulo la dirección de una tesis de maestría y se logró atraer mas estudiantes para el siguiente período. Metas alcanzadas Se logro obtener algunas peliculas de CIS por electrodepósito y de CdS y CdS:Mg por baño químico. Se adquirió lo necesario para actualizar los sistemas de depósito para un mejor control de las condiciones y propiedades de de las películas. Se adquirió lo necesario para completar el montaje de las técnicas de fotolumiscencia, absorción y respuesta fotovoltaica en el ultravioleta-infrarrojo cercano en un área de nuestro laboratorio y la estación meterológica para crear el mapa anual de insolación en las instalaciones del CICATA Se incorporó un alumno PIFI Se escribió un artículo de investigación para ser enviado próximamente Métodos y materiales En la descripción de los resultados se hace mención a los métodos y materiales empleados.
Resultados 1. Acondicionamiento del Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos del CICATA Altamira
En un área de aproximadamente 140 metros cuadrados se realizaron las siguientes obras de acondicionamiento, adaptación y construcción :
Se retiraron las divisiones de tablarroca que separaban el laboratorio en dos áreas. Se realizó una nueva
división del espacio en seis partes utilizando paneles de PVC. En los espacios resultantes se hizo la
instalación eléctrica correspondiente con capacidad de 110 y 220 V con una, dos y tres fases y tomacorrientes
para los equipos futuros. En la Figura 1 se muestra un plano del Laboratorio con las divisiones realizadas.
Figura 1. Plano de las áreas del Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos de CICATA Altamira
Se abrió una puerta de emergencia con abrepuertas de pánico que da la parte posterior del edificio.
Se hicieron tres campanas de humos de mampostería, se recubrieron de azulejo, se cerraron las vitrinas con
acrílico con sus correspondientes ventanas de guillotina, se diseñaron y mandaron a hacer los
correspondientes conos de extracción con lámina de acero inoxidable, se prepararon instalaciones eléctricas
con tomacorrientes y de gases para las tres campanas y en una se instaló agua corriente. Con los recursos
de la partida 5000 asignados a este Programa se adquirieron los extractores de vapores ácidos de 0.5 HP
para cada campana. En las fotografías de la serie de Figuras 2-4 se presenta la secuencia de las obras desde
su inicio hasta el estado actual.
Figura 2. Estado inicial del Laboratorio.
Figura 3. Aspectos de la instalación de los paneles de PVC y de la apertura de la puerta de emergencia.
Figura 4. Aspectos del Laboratorio: Divisiones de PVC, puerta de emergencia, campanas de humos
terminadas, incluyendo puertas de acrílico y conos de extracción.
2. Compra de material de laboratorio y reactivos
Se adquirieron material de vidrio, de laboratorio general, papelería y reactivos para la preparación de los
materiales que se estudiarán durante el desarrollo de este Programa: CIS, CdS, ZnO:Al, y se actualizaron las
computadoras de los profesores integrantes del Programa.
3. Adquisición de equipo
Con los recursos de la partida 5000 se compraron los siguientes equipos:
Mesa óptica para la instalación de las técnicas de caracterización reportadas en el módulo:
Caracterizaciones ópticas de heteroestructuras CuInSe2. Dirigido por el Dr. Eugenio Rodriguez
Fuente de voltaje para el montaje de la técnica de spray pyrolysis, para las actividades del módulo:
Efecto de los parámetros de crecimiento en películas delgadas de ZnO y ZnO:Al depositadas
por rocío pirolítico ultrasónico para su posible aplicación en Celdas Solares de CuInSe2 (CIS),
dirigido por el Dr. Fabio Chale Lara
Estación meteorológica y repetidor de señal inalámbrica para las actividades del módulo: Monitoreo
de celdas fotovoltaicas bajo condiciones ambientales reales, dirigido por el Dr. David Rivas
pHmetro, balanza analítica y baño limpiador por ultrasonidos para uso general del Laboratorio
Extractores de vapores ácidos para las campanas de humos
4. Con los recursos de la partida 4000 y recursos de un proyecto vinculado se invitó al Dr. Fausto Sanz
Carrasco, Catedrático de la Universidad de Barcelona, a impartir el curso “Técnicas de Sonda
Próxima Aplicadas a Materiales” con duración de 10 horas los días 20, 21, 24, 25 y 26 de octubre de
2011 dirigido a los alumnos del Posgrado en Tecnología Avanzada.
5. Preparación y caracterización de películas de CuInSe2 (CIS) por electrodepósito
Se ha desarrollado un proceso de preparación de películas de CIS sobre sustratos de ITO por
electrodepósito pulsado a diferentes condiciones de concentración y secuencia de aplicación de
potencial. El proceso pulsado consiste ciclos de aplicación de pulsos de 0.5 s al potencial de
reducción de cada catión (Cu, Se, In respectivamente), como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Izquierda: aplicación de un potencial fijo. Derecha: aplicación de pulsos de potencial
En la Figura 6 se presenta una fotografía de una muestra típica. Las muestras tienen problemas de
adherencia cuando se superan los 100 ciclos de depósito. Se supone que esto se deba a formación
de cargas durante el depósito o a depleción de reactivos en la disolución.
Figura 6.Muestra de CIS preparada sobre un sustrato de ITO y celda electroquímica
Ue v
s S
SC
(V)
Time (s)
0
-1
-0.5 V
Fixed potential
Ue v
s S
S C
(V
)
Time (s)
0
-1
cycle
Pulsed method
En la Figura 7 la topografía obtenida por microscopia confocal de 6 muestras de CIS/ITO preparadas
en diferentes condiciones:
a) Pulsos 400 ciclos de depósito. b)Pulsos 800 ciclos
c) Pulsos 1600 ciclos d) Pulsos 3200 ciclos
e) Barrido -0.5 V, 500 ciclos f) Barrido -0.5 V, 500 ciclos
Como conclusión principal se hace notar la falta de adherencia a largos tiempos de depósito.
Los resultados preliminares (no mostrados) indican que las películas de CIS presentan diferentes
fases asociadas con Se y Cu-Se que se habían encontrado en trabajos previos.
Se propone utilizar sustratos metálicos para posteriores experimentos o electrodepositar sobre
sustratos recubiertos con la capa de CdS para formar heteroestructuras ITO/ZnO/CdS/CIS/metal.
Los resultados aun son preliminares por falta de tiempo dado el momento en que se empezó a
ejercer el presupuesto y a las obras de adecuación del laboratorio.
6. Preparación y caracterización de películas de CdS y CdSMg por el método del baño químico.
El sistema del que se disponía se calibró para la obtención de películas de 100 nm de espesor, que
es lo que requiere la celda solar. Se realizaron crecimientos para comparar las condiciones de
temperatura/tiempo y estabilidad del sistema. Se incorporó Mg como impurificante para modificar las
propiedades optoelectrónicas. La caracterización se realizó en colaboración con la Universidad de
Barcelona, el CINVESTAV Mérida y la Universidad de La Habana
7. Elaboración del artículo:
“Mg-doped CdS thin films prepared by chemical bath deposition: optical, structural and
nanophotoelectrical characterization” que está en proceso de revisión final antes de enviarse a
publicación (se anexa borrador del manuscrito sin figuras)
8. Formación de recursos humanos
Alumna de maestría: Flor Benilde Griego Sánchez, Programa Institucional de Formación de
Investigadores, Maestría en Tecnología Avanzada. Proyecto de Tesis: Capas ventana para celdas
solares de segunda generación. Inició en agosto de 2011.
En el semestre enero-julio de 2012 se incorporaron dos alumnos de residencias profesionales y 3
alumnos de maestría que serán adscritos a este proyecto.
9. Colaboraciones
Se participó en la elaboración del proyecto “Relación entre estructura atómica y propiedades del
semiconductor Cu2ZnSnS4 para su uso como material fotovoltaico” sometido a la convocatoria 2011
de Ciencia Básica de CONACYT, dirigido por el Dr. Francisco Javier Espinosa Faller de la
Universidad Marista de Mérida, donde como parte de la colaboración se instalará un sistema de baño
químico en la UMM con el cual se prepararán capas de CdS para preparar heteroestructuras
Cu2ZnSnS4/CdS para la futura fabricación de una celda solar de impacto ambiental reducido. En esta
misma colaboración se ha propuesto la codirección de una tesis de maestría.
Conclusiones
Se logró acondicionar el laboratorio de materiales fotovoltaicos incluyendo división de espacios, instalaciones
eléctricas, campanas de humos y salidas de emergencia. Se instalaron las técnicas de baño químico, se
terminará de instalar las técnicas de caracterización óptica. Se escribió un artículo que será enviado a publicar
este semestre en colaboración interinstitucional. Se hicieron pruebas preliminares para el depósito de CIS y
se midieron algunas propiedades de las capas.
Impacto de la investigación
En el transcurso de este año se generó y adquirió la infraestructura necesaria para el Laboratorio de
Materiales Fotovoltaicos y se adquirieron los insumos necesarios para concluir el proyecto en el año 2012.
Con el estímulo de contar con este proyecto y la perspectiva de un laboratorio que estará a pleno rendimineot
próximamente, en el semestre enero-julio de 2012 se inscribieron 9 alumnos de maestría y dos de residencia
profesionales a nuestro grupo, de los cuales 3 de maestría y los 2 de residencias quedaron directamente
adscritos a este módulo. Se solicitaron 9 becas PIFI. Se inició una colaboración con la Universidad Marista de
Mérida que contempla la transferencia de la tecnología del baño químico a esta institución para el logro de
metas comunes en proyectos relacionados.
Mg-doped CdS thin films prepared by chemical bath deposition:
optical, structural and nanophotoelectrical characterization.
F. Caballero-Briones1,*, A. Palacios-Padrós2, O. Calzadilla3, F. Chalé1, J.L. Peña4 and F.
Sanz5,1
1Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos, CICATA-IPN Altamira, Km 14.5 Carr.
Tampico-Pto Industrial Altamira, 89600 Altamira, México.
2Department of Physical Chemistry, Universitat de Barcelona, Martí i Franquès 1,
08028 Barcelona, Spain.
3Facultad de Física, Universidad de La Habana, San Lázaro y L, Vedado 10400 La
Habana, Cuba.
4Department of Applied Physics, CINVESTAV-IPN Unidad Mérida, Km 6 Antigua
Carretera Progreso, 97310 Mérida, México.
5Institute for Bioengineering of Catalonia, Edifici Hèlix, Baldiri i Reixac 15-21,
08028 Barcelona, Spain.
*Corresponding autor: [email protected].
Abstract
Magnesium doped CdS films with different Mg content have been prepared by
chemical bath deposition onto glass substrates. A decrease in the band gap
energy from 2.42 eV to 2.33 eV for a Mg doping up to 0.9 at% has been observed,
the followed by an increase up to 2.40 eV when Mg content was again increased
up to 1.5 at%. The Urbach tail parameter evolution with the film composition
suggests that the non-linear behavior –bowing- of the band gap could be attributed
to both the ion size and electronegativity differences between Mg and Cd cations.
The calculated lattice parameter increases from 5.617 Å for the undoped CdS film
to 5.814 Å for the CdS:1.5 at% Mg, suggesting interstitial rather than substitutional
Mg location into the zinc-blende lattice. Using photocurrent sensing atomic force
microscopy (PCAFM) an increasing photocurrent response was measured as the
Mg content was increased in the films, and, the I-V curves indicate n-type doping
character. The charge carrier increment in Mg doped CdS becomes evident in the
PCAFM images and the qualitative change in the photoconduction behavior is
attributable to the Mg incorporation to the CdS lattice.
Keywords:
CdS, Chemical Bath Deposition, Mg-doping, photocurrent sensing atomic force
microscopy
1.Introduction
Cadmium sulfide (CdS) thin films are commonly employed as n-type, window
layers for Cu(InGa)Se2 (CIGS) and CdTe-based solar cells [1-4]. The contribution
of the CdS films to the device photocurrent is usually low and its role is usually
limited to allow the pass of photons to the absorber layer [1-4]. On the other hand,
it has been mentioned that absorption on the CdS window layer accounts for
photocurrent losses around 2% in both CdTe and CIGS solar cells; to reduce this
effect, thinner CdS films (less than 100 nm) and the use of window material with
larger band gap to reduce this effect are currently being explored [3,4].
Isovalent doping has been looked as a useful strategy in II-VI semiconductors to
produce devices with enhanced efficiencies. Examples include Mn-doped [5] and
Cu-doped CdS [6] to increase the photoconductivity; the band gap increase in Zn1-
xMgxO alloys without loss of n-type conductivity [7]; variation in the
photoluminescence properties in CdS:Sr [8] and the overall increase in the cell
efficiencies by Mn doping in CdMnTe/CdS solar cells [9] respectively.
Within these guidelines, in this work, we prepared Mg-doped CdS films with
different Mg at% using the chemical bath deposition method (CBD) and some of
their physical properties, such as composition, optical behavior and crystal
structure were studied, thus assessing their nanophotoelectric response to the
using a current sensing atomic force microscopy (PCAFM).
2. Experimental details
The film deposition was performed at 64ºC in a homemade thermostatized cell
using glass slides as substrates. The precursor solutions for the chemical bath
were 0.02M CdCl2; 0.5M KOH; 1.5M NH4NO3 and 0.2M CS(NH2)2 prepared from
high purity reactants (Riedel de Häen, Deutschland). For CdS:Mg film deposition,
different volumes of a 0.04M MgCl2 solution were employed to give a determined
Mg/Cd molar ratio in the bath ranging from 0 to 1. Films with thicknesses around
100 nm were prepared. The films were analyzed by X-ray photoelectron
spectroscopy (XPS), grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD), optical
absorption and photocurrent sensing atomic force microscopy (PCAFM). The
PCAFM measurements were made in a Dimension 3000 microscope equipped
with a TUNA amplifier (Veeco, USA), using conductive TiN-coated silicon AFM
cantilevers (NTMDT, Russia) wearing a tip curvature radius of 35 nm. The bias
potential was applied to the sample holder while the tip was grounded. To ensure
an appropriate electrical contact between the tip and the film, previous to the
PCAFM experiments the tip deflection was adjusted to ensure a constant current
signal in a commercial ITO covered glass (20 ohm/square, Solems, France).
Topographic and current images were acquired simultaneously and, I-V curves
were acquired in a centered location of a conductive 200x200 nm2 area. An
average of 20 I-V curves was made in the same location to compensate thermal
drift. Both images and I-V curves were acquired in the dark condition and
illuminating with a 150 W white source (Dolan Jenner, USA) through an optical
fiber.
3. Results and discussion
Fig 1c depicts the Mg concentration in the films determined from the XPS
measurements versus the Mg/Cd molar ratio in the bath.
In the case of a CBD deposition, Cd2+ concentration is controlled by the slow
hydrolysis of an amino-complex, i.e. [Cd(NH3)4]2+. In the nucleation stage, the first
released Cd2+ ions adsorb onto the surface to create the initial Cd(OH)2-like germs
that are lately transformed into CdS as the added thiourea hydrolyzes to S2- in the
alkaline reactive bath. The simultaneous incorporation of other metal atoms to the
film is then ruled by the hydrolysis rate of the corresponding complex and by the
precipitation equilibrium constant, Ksp of the corresponding metal hydroxides. Both
Mg and Cd form amino complexes, although the Mg-amino complex hydrolysis rate
is higher [10] leading to a rapid homogeneous precipitation. On the other side,
Mg(OH)2 has a reported Ksp = 8.9x10-12, three orders of magnitude higher than that
of Cd(OH)2, Ksp=5.9x10-15, thus the possibility of creating mixed Mg/Cd hydroxide
germs low, then allowing the Mg to incorporate at dopant level.
From the transmittance measurements, the direct band gap was calculated using
the expression:
21)( gEhAh (1)
where α the absorption coefficient, A is a constant and Eg the band gap energy for
a direct transition between parabolic bands [11]. The band gap value is obtained by
extrapolation of the linear part of the (αhν)2 versus (hν) plot (known as Tauc plot) at
(αhν)2 = 0.
The exponential region below Eg in the absorption spectra (αhν) versus (hν) was
fitted to calculate the Urbach tail parameter (E0) using [12]:
0
0 exp)(E
hvhv (2)
where α0 is a constant and E0 accounts for the disorder in the material and it is a
sum of contributions related with the nature of the defects [12].
Figure 2 shows the evolution of the calculated optical band gap and the Urbach tail
parameter of the prepared CdS:Mg films versus the Mg concentration. A pseudo-
parabolic variation of Eg with the Mg content is observed, having a minimum value
of 2.33 eV for a Mg content around 0.9 at% is observed. Further increasing Mg
contents in the films promotes a Eg increase reaching a of 2.40 eV with the
maximum Mg concentration of 1.5 at%. On the other hand, E0 behavior shows a
complementary trend. The non linear dependence of the band gap with the film Mg
atomic content can be understood in terms of the widely described phenomenon of
optical bowing [13]. Bernard and Zunger [13] indicate that the Eg bowing in
pseudobinary allows with common ions, arises from charge exchange, volume
deformation, and structural relaxation. They point out that the bowing increases
with increasing size and electronegativity difference between the non-common,
isovalent ions of the alloy. As much as the electronegativity and size difference
between Cd and Mg is large (Pauling electronegativities Mg=1.31, Cd=1.69 and
effective ion sizes [14] Mg=1.11 Å and Cd=1.31 Å respectively) we can explain the
observed effect in Eg following the disorder tendency observed in the calculated
Urbach tail parameter.
Figure 3 presents the grazing incidence X-ray diffractograms of an undoped CdS
film and of the CdS film with a 1.5 at% Mg content. The films present preferentially
the CdS cubic phase, with clearly defined peaks corresponding to the (111), (200),
(220), (311), (222), (331), (420) and (422) zincblende peaks. Neither MgS nor MgO
related peaks were noticed. Diffraction peaks were fitted to pseudo Voigt functions
and were indexed using the powder diffraction database [15]. The lattice
parameters were calculated from slope in a sin2θ vs (h2+k2+l2) plot, given values of
a=5.617 Å for the undoped CdS film and a=5.814 Å for the CdS:Mg film
respectively. Undoped films grow under compressive stress, and comparing these
results with the reported lattice parameter a=5.818 Å for cubic CdS [15], a clear
expansion of the lattice occurs with Mg incorporation in a similar way as the cell
expansion reported for CdTe films with low oxygen concentrations [16]. Therefore,
we can neglect Mg incorporation in substitutional positions as it would lead to
lattice compression as the reported effective radius of Mg is smaller than that of
Cd, thus it can be assumed that Mg incorporates preferentially in interstitial
positions.
Figure 4 shows the I-V curves obtained under illumination for both the undoped
CdS film and the film with 1.5 at% Mg. Inset shows the corresponding curves in the
dark. The current displays a rectifying behavior and, the current sign being
negative due to the circuit configuration, with the tip as current sensor. The
diagram of the circuit configuration is depicted as inset in the Figure 4. Therefore is
possible to assert that both films are n-type semiconducting and that the metal-
semiconductor contact behaves as a Schottky diode. The photocurrent increases a
factor of three in the case of the CdS:Mg film curve with respect to the undoped
one, but with respect to its own dark current, the increase is 20 times compared
with the 2 time increase of the photocurrent in the undoped CdS. Although CdS-
based Schottky contacts are usually considered majority carrier devices, it has
been mentioned that the generation of minority carriers can take place
simultaneously [17]. Particularly, in our films we observe a small current at positive
voltage (reverse bias condition in our configuration) that enhances with Mg doping
in illuminated conditions.
Figure 5 presents the topography and the current images obtained in the both films
at a bias potential of +1 V that corresponds to the reverse bias for the n-type films,
in order to observe the local change in the charge carriers due to illumination
[17,18]. In dark condition, the undoped film displays only very few conducting
locations (bright spots) compared with the CdS:Mg film. The observed strips
account for the noise current. Upon illumination, new conducting spots appear in
both samples due to the photogenerated carriers. It is noticeable observing the
current z-scales that for the CdS:Mg film the photocurrent increment is 20 times
larger than for the undoped one. In the undoped films, the phototransport occurs
preferentially through the grain boundaries, in agreement with the results of Azulay
et al. when they illuminate with a white source [19]. In the Mg-doped film, the
conductivity spans from the whole grain surfaces. Taking into account that current
flows from the grain to the tip it is possible to say that the increase in the charge
carriers due to illumination is produced in the grain and not in the grain boundaries
for this film.
The qualitative difference in the electrical behavior suggests that Mg is distributed
through the CdS lattice and not segregated to the grain boundaries. Pointing
towards the same conclusion we have from the expansion of the crystal lattice
observed in the X-ray diffraction measurements. Our results suggest that the use
of Mg-doped films in CIGS and CdTe-based solar cells would provide an
enhancement of the photocurrent with a reduced lattice mismatch (10% for the
CdS:Mg film with respect to CdTe, compared with 13% for undoped CdS,
respectively).
4. Conclusions
N-type CdS:Mg films with different Mg concentration were prepared by CBD on
glass substrates. Mg-doped films show a non-linear variation –bowing- in the band
gap energy with the increasing content of Mg. The analysis of the Urbach tail
parameter suggests that the disorder caused by the introduction of highly
electropositive Mg ions in interstitial positions is the main cause of the Eg bowing.
Increased photocurrent response was observed by photocurrent atomic force
microscopy. The transport of the charge carriers was also found to be different, as
the conductive region in doped CdS is distributed along the grain surfaces while for
undoped CdS photoconduction seems to occur preferentially along the grain
boundaries. We propose that the use of CdS:Mg films would contribute to the
efficiency of CdTe and CIGS based solar cells.
Acknowledgements
Financial support from SIP-IPN Mexico through the project SIP1267-20113374 and
from the MICINN-Spain through the project CTQ-201125156 is recognized. OCA
and JLP acknowledge Invited Professor Grants from BKC-UB. APP thanks MICINN
support through a FPU grant. Technical support from SCT-UB units Nanometrical
Techniques, Molecular spectroscopy and X-ray diffraction is also acknowledged.
A. Carreté is acknowledged by the preparation of the samples used in the first
version of this manuscript.
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polycrystalline CdS?, App. Phys. Lett. 86, 2005, 212102.
Figure captions
Figure 1. Mg content in the prepared CdS:Mg films versus the Mg/Cd molar ratio in the
deposition bath.
Figure 2. Band gap and Urbach tail parameter as function of the Mg content in the CdS:Mg
films.
Figure 3. X-ray diffractograms for undoped CdS and for CdS:Mg film 1.5 at% Mg. Powder
patterns of cubic and hexagonal CdS phases and cubic MgS phase are included for
comparison.
Figure 4. Photocurrent-voltage curves obtained in a conductive region of the undoped CdS
film and of the CdS:Mg with 1.5%at Mg. Insets shows the corresponding I-V curves in the
dark conditions and the diagram configuration of the CAFM measuring system.
Figure 5. Overimposed 200x200 nm2 topographic (contours) and electrical CAFM images
obtained at a bias voltage of +1 V. Undoped CdS film (a-b) and CdS:Mg film with 1.5 at%
Mg (c-d). Images (a,c) were acquired in dark condition and images (b,d) when illuminating
with white light. Topographic z-scales (not shown) are 100 nm for the undoped CdS
images and 50 nm for CdS:Mg. Z-scales of the electrical images are depicted beside each
image.