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Cds/cdte thin film solar cells with zinc stannate buffer layer

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Material Information

Title:
Cds/cdte thin film solar cells with zinc stannate buffer layer
Physical Description:
Book
Language:
English
Creator:
Bapanapalli, Srilatha
Publisher:
University of South Florida
Place of Publication:
Tampa, Fla.
Publication Date:

Subjects

Subjects / Keywords:
Tco
Photovoltaic
Resistive layer
Processing
Zto
Dissertations, Academic -- Electrical Engineering -- Masters -- USF   ( lcsh )
Genre:
government publication (state, provincial, terriorial, dependent)   ( marcgt )
bibliography   ( marcgt )
theses   ( marcgt )
non-fiction   ( marcgt )

Notes

Abstract:
ABSTRACT: CdS/CdTe solar cell performance and reproducibility can be improved by integrating a ZTO buffer layer, which interdiffuses into the CdS layer during device fabrication. Reducing the thickness of CdS layer improves the QE in the blue spectral region without affecting the device performance. This buffer layer is expected to prevent the formation of localized TCO/CdTe junction during high temperature processing.The CdS/CdTe Solar Cell was modified by introducing ZTO as a buffer layer between the window layer (CdS) and the absorber layer (CdTe). Studies were performed on different varying ZTO processing parameters like (a) Zn/Sn atomic ratios during sputtering process, (b) ZTO thickness, (c) ZTO heat treatment temperature, and (d) ZTO heat treatment ambient.
Thesis:
Thesis (M.S.E.E.)--University of South Florida, 2005.
Bibliography:
Includes bibliographical references.
System Details:
System requirements: World Wide Web browser and PDF reader.
System Details:
Mode of access: World Wide Web.
Statement of Responsibility:
by Srilatha Bapanapalli.
General Note:
Title from PDF of title page.
General Note:
Document formatted into pages; contains 86 pages.

Record Information

Source Institution:
University of South Florida Library
Holding Location:
University of South Florida
Rights Management:
All applicable rights reserved by the source institution and holding location.
Resource Identifier:
aleph - 001681110
oclc - 62776565
usfldc doi - E14-SFE0001004
usfldc handle - e14.1004
System ID:
SFS0025325:00001


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Full Text

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C d S / C d T e T h i n F i l m S o l a r C e l l s W i t h Z i n c S t a n n a t e B u f f e r L a y e r b y S r i l a t h a B a p a n a p a l l i A t h e s i s s u b m i t t e d i n t h e p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f M a s t e r o f S c i e n c e i n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a M a j o r P r o f e s s o r : C h r i s t o s S F e r e k i d e s P h D D o n L M o r e l P h D Y u n L C h i o u P h D D a t e o f A p p r o v a l : M a r c h 2 3 2 0 0 5 K e y w o r d s : T C O P h o t o v o l t a i c R e s i s t i v e L a y e r P r o c e s s i n g Z T O C o p y r i g h t 2 0 0 5 S r i l a t h a B a p a n a p a l l i

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D E D I C A T I O N T h i s t h e s i s i s d e d i c a t e d t o m y p a r e n t s M r S r i n i v a s u l u M r s S a r a d a m y b r o t h e r S r i k a n t h a n d m y f r i e n d K r i s h n a M o h a n f o r t h e i r e n c o u r a g e m e n t a n d s u p p o r t

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A C K N O W L E D G E M E N T I e x p r e s s m y s i n c e r e g r a t i t u d e t o D r C h r i s t o s F e r e k i d e s f o r g i v i n g m e t h e c h a n c e t o w o r k w i t h h i m I a m t h a n k f u l f o r h i s v a l u a b l e s u g g e s t i o n s a d v i c e a n d f i n a n c i a l s u p p o r t d u r i n g t h e c o u r s e o f m y w o r k I w o u l d l i k e t o t h a n k D r M o r e l a n d D r C h i o u f o r t h e i r a d v i c e a n d g u i d a n c e I a m a l s o t h a n k f u l t o m y c o l l e a g u e s o f T h i n F i l m S o l a r C e l l L a b o r a t o r y f o r t h e i r s u p p o r t a n d h e l p M y s p e c i a l t h a n k s t o S r i d e v i V a k k a l a n k a a n d Z h a o

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i T A B L E O F C O N T E N T S L I S T O F T A B L E S i v L I S T O F F I G U R E S v L I S T O F S Y M B O L S v i i i A B S T R A C T x C H A P T E R 1 I N T R O D U C T I O N A N D S O L A R C E L L T H E O R Y 1 1 1 N e e d f o r S o l a r E n e r g y 1 1 2 S o l a r C e l l 3 1 3 S o l a r S p e c t r u m 3 1 4 S o l a r C e l l P h y s i c s a n d P h o t o v o l t a i c E f f e c t 5 1 5 T y p e s o f p n J u n c t i o n s 8 1 5 1 H o m o j u n c t i o n 8 1 5 2 H e t e r o j u n c t i o n 8 1 5 3 p n J u n c t i o n U n d e r B i a s 9 1 6 A b s o r p t i o n o f L i g h t i n P h o t o v o l t a i c D e v i c e s 1 0 1 7 R e q u i r e m e n t s f o r S o l a r C e l l s 1 1 1 8 E q u i v a l e n t C i r c u i t o f t h e S o l a r C e l l 1 1 1 9 S o l a r C e l l P a r a m e t e r s 1 2 1 9 1 S h o r t C i r c u i t C u r r e n t Is c 1 3 1 9 2 O p e n C i r c u i t V o l t a g e Vo c 1 3 1 9 3 F i l l F a c t o r F F 1 4 1 9 4 E f f i c i e n c y 1 4 1 9 5 S e r i e s R e s i s t a n c e 1 4 1 9 6 S h u n t R e s i s t a n c e 1 4 1 9 7 Q u a n t u m E f f i c i e n c y 1 5 1 1 0 T y p e s o f S o l a r C e l l s 1 6

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i i C H A P T E R 2 L I T E R A T U R E R E V I E W 1 7 2 1 T i n O x i d e 1 7 2 2 Z i n c S t a n n a t e 1 9 2 2 1 Z i n c S t a n n a t e S t r u c t u r e 2 1 2 2 2 I n t e r d i f f u s i o n o f C d S a n d Z i n c S t a n n a t e ( Z n2S n O4) L a y e r s 2 2 2 2 3 C o m p a r i s o n o f V a r i o u s T C O ’ s 2 3 2 2 4 P r e s e n c e o f Z n S n O3 2 4 2 3 E f f e c t o f C d C l2 A n n e a l i n g 2 6 2 4 C d T e D e p o s i t i o n T e m p e r a t u r e E f f e c t 2 7 C H A P T E R 3 E X P E R I M E N T A L M E T H O D S 2 9 3 1 C e l l S t r u c t u r e 2 9 3 2 C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n ( C V D ) o f S n O2 3 0 3 3 S p u t t e r i n g o f Z T O 3 1 3 4 C h e m i c a l B a t h D e p o s i t i o n C B D o f C d S 3 2 3 5 C l o s e S p a c e d S u b l i m a t i o n C S S o f C d T e 3 3 3 6 C a d m i u m C h l o r i d e P r o c e s s 3 4 3 7 B a c k C o n t a c t F o r m a t i o n 3 4 3 8 S o l a r C e l l M e a s u r e m e n t s 3 5 C H A P T E R 4 R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N 3 6 4 1 P r o p e r t i e s o f R F C o S p u t t e r e d Z T O F i l m s 3 6 4 1 1 A F M A n a l y s i s 3 6 4 1 2 X R D A n a l y s i s o f Z T O F i l m s 3 8 4 1 2 1 X R D A n a l y s i s f o r A s D e p o s i t e d a n d A n n e a l e d Z T O F i l m s w i t h Z n / S n = 2 0 3 8 4 1 2 2 X R D f o r D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s 3 9 4 1 3 E l e c t r i c a l P r o p e r t i e s o f Z i n c S t a n n a t e 4 1 4 1 4 O p t i c a l C h a r a c t e r i s t i c s 4 2 4 2 C d T e S o l a r C e l l s w i t h Z T O a s B u f f e r L a y e r 4 4 4 2 1 E f f e c t o f Z n2S n O4 A n n e a l i n g A m b i e n t 4 5

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i i i 4 2 2 E f f e c t o f W i n d o w L a y e r T h i c k n e s s o n t h e P e r f o r m a n c e o f Z n2S n O4 C e l l 4 8 4 2 3 E f f e c t o f C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e o n a Z n2S n O4 F i l m s D e p o s i t e d a t R T 5 0 4 2 3 1 E f f e c t o f C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e o n Z n2S n O4 F i l m s D e p o s i t e d a t 4 0 0 C 5 3 4 2 4 E f f e c t o f C d C l2 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e o n Z n / S n R a t i o 5 5 4 2 4 1 E f f e c t o f C d C l2 A n n e a l i n g o n Z T O F i l m s w i t h D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s ( 1 8 2 0 2 2 ) 5 5 4 2 5 E f f e c t o f Z n2S n O4 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e 5 9 C H A P T E R 5 C O N C L U S I O N S 6 2 R E F E R E N C E S 6 4 A P P E N D I C E S 6 7 A p p e n d i x A T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f Z T O F i l m A n n e a l e d a t H e a n d O2 A m b i e n t s 6 8 A p p e n d i x B T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f C d S F i l m 6 9 A p p e n d i x C X R D P a t t e r n o f Z T O F i l m f o r V a r i o u s P r o c e s s i n g P a r a m e t e r s 7 0 A p p e n d i x D X R D o f Z n2S n O4 F i l m o f 5 0 0 T h i c k n e s s D e p o s i t e d a t 4 0 0oC 7 2

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i v L I S T O F T A B L E S T a b l e 2 1 S n O2 a n d C T O D e v i c e s B e f o r e a n d A f t e r Z T O I n t e g r a t i o n 2 2 T a b l e 2 2 P r o p e r t i e s o f V a r i o u s T C O ’ s 2 4 T a b l e 4 1 S h e e t R e s i s t a n c e a n d R e s i s t i v i t y V a l u e s f o r Z T O 2 0 0 0 D e p o s i t e d a t R T 4 1 T a b l e 4 2 A v e r a g e T r a n s m i s s i o n o f Z T O D e p o s i t e d a t R T A n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 M i n u t e s 4 3 T a b l e 4 3 A v e r a g e T r a n s m i s s i o n o f Z n2S n O4 F i l m s B e f o r e a n d A f t e r A n n e a l i n g 4 4 T a b l e 4 4 E f f e c t o f A n n e a l i n g A m b i e n t o n Z n2S n O4 D e v i c e 4 6 T a b l e 4 5 E f f e c t o f W i n d o w L a y e r T h i c k n e s s o n Z n2S n O4 D e v i c e 4 9 T a b l e 4 6 C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e E f f e c t f o r Z n2S n O4 S a m p l e s C d C l2 A n n e a l e d a t 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s 5 1 T a b l e 4 7 C d T e T e m p e r a t u r e E f f e c t o n Z n2S n O4 S a m p l e s C d C l2 A n n e a l e d a t 4 2 0oC f o r 1 5 M i n u t e s 5 2 T a b l e 4 8 E f f e c t o f C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e o n Z n2S n O4 D e v i c e 5 4 T a b l e 4 9 E f f e c t o f C d C l2 T r e a t m e n t o n D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s F i l m s 5 9 T a b l e 4 1 0 P e r f o r m a n c e o f D e v i c e f o r V a r i o u s A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s o f Z n2S n O4 F i l m s 6 1

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v L I S T O F F I G U R E S F i g u r e 1 1 P a s t a n d P r o j e c t e d T r e n d s i n E n e r g y D e m a n d 2 F i g u r e 1 2 R e g i o n a l S h a r e s o f W o r l d E n e r g y C o n s u m p t i o n 1 9 9 9 a n d 2 0 2 0 2 F i g u r e 1 3 S o l a r S p e c t r u m P h o t o n E n e r g y f o r i t s C o r r e s p o n d i n g W a v e l e n g t h 4 F i g u r e 1 4 T h e P a t h L e n g t h ( i n u n i t s o f A i r M a s s ) C h a n g e s w i t h t h e Z e n i t h A n g l e [ 2 1 ] 4 F i g u r e 1 5 S p e c t r a l D i s t r i b u t i o n o f S o l a r E n e r g y 5 F i g u r e 1 6 ( a ) n t y p e S e m i c o n d u c t o r ( b ) p t y p e S e m i c o n d u c t o r 6 F i g u r e 1 7 E n e r g y B a n d D i a g r a m o f a p n J u n c t i o n ( a ) B e f o r e M e r g i n g a n d ( b ) A f t e r M e r g i n g t h e n t y p e a n d p t y p e R e g i o n s 6 F i g u r e 1 8 B a n d D i a g r a m o f p n J u n c t i o n i n T h e r m a l E q u i l i b r i u m 8 F i g u r e 1 9 E n e r g y B a n d D i a g r a m B e f o r e J u n c t i o n F o r m a t i o n 9 F i g u r e 1 1 0 E n e r g y B a n d D i a g r a m A f t e r J u n c t i o n F o r m a t i o n 9 F i g u r e 1 1 1 S i m p l e S o l a r C e l l U n d e r L o a d 1 0 F i g u r e 1 1 2 E q u i v a l e n t C i r c u i t o f ( a ) I d e a l S o l a r C e l l ( b ) P r a c t i c a l S o l a r C e l l 1 1 F i g u r e 1 1 3 D a r k a n d L i g h t I V C u r v e s 1 3 F i g u r e 2 1 S n O2 S t r u c t u r e 1 7 F i g u r e 2 2 S n O2 T r a n s m i s s i o n a n d R e f l e c t i o n 1 8 F i g u r e 2 3 X R D P a t t e r n s f o r A s D e p o s i t e d a n d A n n e a l e d Z n2S n O4 2 0 F i g u r e 2 4 ( a ) O p t i c a l P r o p e r t i e s ( b ) T r a n s m i s s i o n f o r D i f f e r e n t C a r r i e r C o n c e n t r a t i o n s 2 0 F i g u r e 2 5 S p i n e l S t r u c t u r e o f Z T O [ 2 6 ] [ 1 3 ] 2 1 F i g u r e 2 6 R e l a t i v e Q u a n t u m E f f i c i e n c y o f T w o D e v i c e S t r u c t u r e s 2 3 F i g u r e 2 7 X r a y D i f f r a c t i o n S p e c t r u m o f S p u t t e r e d Z n2S n O4 B e f o r e a n d A f t e r A n n e a l i n g 2 4 F i g u r e 2 8 ( a ) X R D o f F i l m A s D e p o s i t e d a t 2 5 0oC, a s a F u n c t i o n o f ( b ) R e s i s t i v i t i e s o f F i l m a s a F u n c t i o n o f 2 5 F i g u r e 2 9 I n t e r d i f f u s i o n R e l a t e d I n t e r f a c e s i n C d S / C d T e C e l l S t r u c t u r e 2 7

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v i F i g u r e 2 1 0 S E M M i c r o g r a p h s o f C d T e F i l m B e f o r e a n d A f t e r a C d C l2 T r e a t m e n t 2 7 F i g u r e 3 1 ( a ) C d S / C d T e D e v i c e S t r u c t u r e ( b ) Z T O D e v i c e S t r u c t u r e 2 9 F i g u r e 3 2 S c h e m a t i c D i a g r a m o f C V D R e a c t o r U s e d t o D e p o s i t S n O2 3 0 F i g u r e 3 3 P o s i t i o n o f S p u t t e r i n g S o u r c e s a n d S u b s t r a t e H o l d e r 3 1 F i g u r e 3 4 E x p e r i m e n t a l S e t u p f o r C B D P r o c e s s 3 3 F i g u r e 3 5 C S S C d T e P r o c e s s S e t u p 3 4 F i g u r e 4 1 ( a ) A F M I m a g e o f Z T O A s D e p o s i t e d a t 4 0 0oC A r A m b i e n t a n d 2 0 0 0 T h i c k ( b ) A F M I m a g e o f Z T O D e p o s i t e d a t 4 0 0oC A n n e a l e d a t 6 0 0oC i n H e f o r 2 0 M i n u t e s 3 7 F i g u r e 4 2 X R D P a t t e r n o f A s D e p o s i t e d a n d R T d e p o s i t e d Z n2S n O4 ( 2 0 0 0 ) 3 8 F i g u r e 4 3 X R D P a t t e r n o f Z n2S n O4 F i l m D e p o s i t e d a t R T f u r t h e r A n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 m i n i n H e A m b i e n t 3 8 F i g u r e 4 4 X R D P a t t e r n f o r Z T O F i l m w i t h Z n / S n R a t i o o f 1 5 D e p o s i t e d a t R T a n d A n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 M i n u t e s 3 9 F i g u r e 4 5 X R D P a t t e r n f o r Z T O F i l m w i t h Z n / S n R a t i o o f 2 0 D e p o s i t e d a t R T a n d A n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 M i n u t e s 3 9 F i g u r e 4 6 X R D P a t t e r n f o r Z T O F i l m w i t h Z n / S n r a t i o o f 2 5 d e p o s i t e d a t R T a n d a n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 M i n u t e s 4 0 F i g u r e 4 7 Z T O F i l m R e s i s t i v i t y f o r D i f f e r e n t A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s a n d Z n / S n R a t i o s 4 1 F i g u r e 4 8 T r a n s m i s s i o n S p e c t r a o f Z T O F i l m w i t h Z n / S n R a t i o o f 1 0 1 5 2 0 a n d 2 5 4 3 F i g u r e 4 9 T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f Z n2S n O4 F i l m B e f o r e a n d A f t e r A n n e a l i n g a t 5 7 5 6 0 0oC 4 3 F i g u r e 4 1 0 D e v i c e S t r u c t u r e o f C d S / C d T e S o l a r C e l l s w i t h Z T O B u f f e r L a y e r 4 4 F i g u r e 4 1 1 ( a ) L i g h t J V C h a r a c t e r i s t i c s ( l e f t ) ( b ) D a r k J V C h a r a c t e r i s t i c s ( r i g h t ) o f Z n2S n O4 D e v i c e w i t h H e a n d O2 A n n e a l i n g A m b i e n t s 4 5 F i g u r e 4 1 2 S p e c t r a l R e s p o n s e o f Z n2S n O4 C e l l w i t h H e a n d O2 A n n e a l i n g A m b i e n t s 4 6 F i g u r e 4 1 3 N o r m a l i z e d M o n o c h r o m a t i c J V a n d F F f o r M o n o c h r o m a t i c ( c o l o r ) a n d W h i t e L i g h t V s W a v e l e n g t h 4 7 F i g u r e 4 1 4 J V C h a r a c t e r i s t i c s o f T w o D i f f e r e n t C d S T h i c k n e s s 4 8 F i g u r e 4 1 5 S p e c t r a l R e s p o n s e o f T w o D i f f e r e n t C d S T h i c k n e s s 4 9

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v i i F i g u r e 4 1 4 J V C h a r a c t e r i s t i c s o f T w o D i f f e r e n t C d S T h i c k n e s s 4 8 F i g u r e 4 1 5 S p e c t r a l R e s p o n s e o f T w o D i f f e r e n t C d S T h i c k n e s s 4 9 F i g u r e 4 1 6 L i g h t J V D a r k J V R e s p o n s e f o r C d C l2 A n n e a l i n g a t 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s 5 0 F i g u r e 4 1 7 L i g h t J V D a r k J V R e s p o n s e f o r C d C l2 A n n e a l i n g a t 4 2 0oC f o r 1 5 M i n u t e s 5 1 F i g u r e 4 1 8 Q E f o r D i f f e r e n t C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e s a n d D i f f e r e n t C d C l2 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s ( a ) 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s ( b ) 4 2 0oC f o r 1 5 M i n u t e s 5 2 F i g u r e 4 1 9 L i g h t a n d D a r k J V f o r D i f f e r e n t C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e s ( 6 1 0 6 2 0oC ) 5 3 F i g u r e 4 2 0 Q E f o r T w o D i f f e r e n t C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e s ( 6 1 0 6 2 0oC ) 5 4 F i g u r e 4 2 1 ( a ) L i g h t a n d D a r k J V f o r C d C l2 T e m p e r a t u r e o f 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s ( b ) L i g h t a n d D a r k J V f o r C d C l2 @ 4 1 0oC f o r 2 0 M i n u t e s 5 6 F i g u r e 4 2 2 ( a ) Q E P l o t o f Z T O D e v i c e s w i t h D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s f o r C d C l2 @ o f 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s ( b ) f o r C d C l2 @ 4 1 0oC f o r 2 0 M i n u t e s 5 7 F i g u r e 4 2 3 ( a ) Z n / S n R a t i o V s Vo c ( b ) Z n / S n R a t i o V s F F ( c ) Z n / S n R a t i o V s Js c f o r T w o D i f f e r e n t C d C l2 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s 5 8 F i g u r e 4 2 4 I V P l o t o f Z T O D e v i c e w i t h V a r i o u s A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s 6 0 F i g u r e 4 2 5 S R P l o t o f Z T O D e v i c e w i t h V a r i o u s A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s 6 1 F i g u r e A 1 T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f Z T O F i l m o f 4 0 0 0 T h i c k n e s s A n n e a l e d a t H e a n d O2 A m b i e n t s [ 4 ] 6 8 F i g u r e B 1 T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f C d S F i l m w i t h 5 0 0 a n d 1 0 0 0 6 9 F i g u r e C 1 X R D P a t t e r n o f Z T O F i l m f o r D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s 7 0 F i g u r e C 2 X R D o f Z T O w i t h Z n / S n R a t i o o f 2 0 D e p o s i t e d a t R T 4 0 0oC 7 0 F i g u r e C 3 X R D o f Z n2S n O4 D e p o s i t e d a t R T A s D e p o s i t e d a n d A n n e a l e d a t 5 0 0 5 7 5 6 0 0oC 7 1 F i g u r e D 1 X R D o f A s D e p o s i t e d Z n2S n O4 o f 5 0 0 T h i c k D e p o s i t e d a t 4 0 0oC 7 2 F i g u r e D 2 X R D o f Z n2S n O4 o f 5 0 0 T h i c k D e p o s i t e d a t 4 0 0oC a n d A n n e a l e d i n H e A m b i e n t f o r 2 0 M i n u t e s a t 6 0 0oC 7 2

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v i i i L I S T O F S Y M B O L S e V e l e c t r o n V o l t s m W m e g a W a t t m V m i l l i V o l t s m A m i l l i A m p s A n g s t r o m C D e g r e e s C e n t i g r a d e Z T O Z i n c S t a n n a t e o r Z i n c T i n O x i d e ( Z n S n O ) H e H e l i u m O2 O x y g e n C d T e C a d m i u m T e l l u r i d e C d S C a d m i u m S u l p h i d e C d C l2 C a d m i u m C h l o r i d e S n O2 T i n O x i d e S i S i l i c o n G a A s G a l l i u m A r s e n i d e I T O I n d i u m T i n O x i d e C u C o p p e r H F H y d r o F l u o r i c T M T T e t r a M e t h y l T i n C d C a d m i u m I n I n d i u m H F H y d r o f l u o r i c A c i d Vo c O p e n C i r c u i t V o l t a g e Is c S h o r t C i r c u i t C u r r e n t Js c S h o r t C i r c u i t C u r r e n t D e n s i t y

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i x Q E Q u a n t u m E f f i c i e n c y Rs S e r i e s R e s i s t a n c e [c m2] Rs h S h u n t R e s i s t a n c e [c m2] I V C u r r e n t V o l t a g e J V C u r r e n t D e n s i t y V o l t a g e S R S p e c t r a l R e s p o n s e P V P h o t o v o l t a i c T C O T r a n s p a r e n t C o n d u c t i n g O x i d e C S S C l o s e S p a c e S u b l i m a t i o n C B D C h e m i c a l B a t h D e p o s i t i o n Ts u b S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e Ts o u S o u r c e T e m p e r a t u r e R T R o o m T e m p e r a t u r e td e p D e p o s i t i o n T i m e A b s o r p t i o n C o e f f i c i e n t m m i c r o m e t e r X R D X R a y D i f f r a c t i o n A F M A t o m i c F o r c e M i c r o s c o p y C B D C h e m i c a l B a t h D e p o s i t i o n C S S C l o s e S p a c e d S u b l i m a t i o n M O C V D M e t a l O x i d e C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n R T R o o m T e m p e r a t u r e

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x C D S / C D T E T H I N F I L M S O L A R C E L L S W I T H Z I N C S T A N N A T E B U F F E R L A Y E R S r i l a t h a B a p a n a p a l l i A B S T R A C T C d S / C d T e s o l a r c e l l p e r f o r m a n c e a n d r e p r o d u c i b i l i t y c a n b e i m p r o v e d b y i n t e g r a t i n g a Z T O b u f f e r l a y e r w h i c h i n t e r d i f f u s e s i n t o t h e C d S l a y e r d u r i n g d e v i c e f a b r i c a t i o n R e d u c i n g t h e t h i c k n e s s o f C d S l a y e r i m p r o v e s t h e Q E i n t h e b l u e s p e c t r a l r e g i o n w i t h o u t a f f e c t i n g t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e T h i s b u f f e r l a y e r i s e x p e c t e d t o p r e v e n t t h e f o r m a t i o n o f l o c a l i z e d T C O / C d T e j u n c t i o n d u r i n g h i g h t e m p e r a t u r e p r o c e s s i n g T h e C d S / C d T e S o l a r C e l l w a s m o d i f i e d b y i n t r o d u c i n g Z T O a s a b u f f e r l a y e r b e t w e e n t h e w i n d o w l a y e r ( C d S ) a n d t h e a b s o r b e r l a y e r ( C d T e ) S t u d i e s w e r e p e r f o r m e d o n d i f f e r e n t v a r y i n g Z T O p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s l i k e ( a ) Z n / S n a t o m i c r a t i o s d u r i n g s p u t t e r i n g p r o c e s s ( b ) Z T O t h i c k n e s s ( c ) Z T O h e a t t r e a t m e n t t e m p e r a t u r e a n d ( d ) Z T O h e a t t r e a t m e n t a m b i e n t D e v i c e s w e r e a l s o f a b r i c a t e d t o s t u d y t h e e f f e c t s o f ( 1 ) w i n d o w l a y e r t h i c k n e s s ( 2 ) C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d ( 3 ) p o s t h e a t t r e a t m e n t o f C d C l2. U s i n g Z i n c S t a n n a t e a s a b u f f e r l a y e r ( S n O2: F / Z T O / C d S / C d T e ) r e s u l t e d i n Vo c o f 8 3 0 m V 7 1 2 % F F a n d Js c o f 2 2 5 8 m A / c m2 w i t h t o t a l e f f i c i e n c y o f 1 3 3 4 % T h e b e s t d e v i c e h a d a 5 0 0 t h i c k Z i n c S t a n n a t e f i l m d e p o s i t e d a t 4 0 0oC i n A r a m b i e n t a n d a n n e a l e d i n H e a m b i e n t f o r 2 0 m i n u t e s a t 6 0 0oC

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x i H i g h s h e e t r e s i s t a n c e o f Z i n c S t a n n a t e m a k e s i t s u i t a b l e a s a b u f f e r l a y e r I t h a s m o r e t h a n 9 0 % t r a n s m i s s i o n i n t h e v i s i b l e r e g i o n A s d e p o s i t e d Z T O a t R T i s a m o r p h o u s a n d s u b s e q u e n t h e a t t r e a t m e n t m a k e s i t c r y s t a l l i n e

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1 C H A P T E R 1 I N T R O D U C T I O N A N D S O L A R C E L L T H E O R Y F o s s i l f u e l s p r o v i d e a r o u n d 6 6 % o f t h e w o r l d s e l e c t r i c a l p o w e r a n d 9 5 % o f t h e w o r l d s t o t a l e n e r g y d e m a n d s [ 1 8 ] A s t h e w o r l d w i d e d e m a n d f o r e n e r g y i s g r e a t e r t h a n t h e s u p p l y t h e c o s t o f s u p p l y i n g e l e c t r i c i t y b e c o m e s e x p e n s i v e I t i s a n e v e r c o n c e r n i n g f a c t t h a t g l o b a l w a r m i n g ( g r e e n h o u s e e f f e c t ) a n d c l i m a t e c h a n g e s a r e d u e t o t h e u s e o f t h e s e f o s s i l f u e l s l i k e c o a l o i l a n d g a s A l s o t h e b y p r o d u c t s o f f o s s i l f u e l s s u c h a s c a r b o n d i o x i d e s u l f u r a n d n i t r o g e n o x i d e m a y r e s u l t i n a c i d r a i n H e n c e i t i s i m p o r t a n t t o s w i t c h f o r a n e n e r g y s o u r c e w h i c h i s c l e a n e f f i c i e n t a n d i n a s u s t a i n a b l e f o r m R e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e s l i k e b i o m a s s g e o t h e r m a l w i n d s o l a r m a r i n e a n d s m a l l s c a l e h y d r o p o w e r c u r r e n t l y c o n t r i b u t e a r o u n d 2 % o f w o r l d ’ s e n e r g y c o n s u m p t i o n T h e s t a t i s t i c s o f t h e e n e r g y d e m a n d s a n d c o n s u m p t i o n f o r t h e p r e s e n t a n d t h e f u t u r e a r e s h o w n i n f i g u r e 1 1 a n d 1 2 M o r e r e s e a r c h i s n e e d e d t o m a k e t h e s e r e n e w a b l e s o u r c e s u s a b l e i n d a y t o d a y l i f e 1 1 N e e d f o r S o l a r E n e r g y O n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t r e n e w a b l e s o u r c e s o f e n e r g y i s t h e s o l a r e n e r g y w h i c h i s a b u n d a n t T h e s u n i s a c o n s t a n t s o u r c e o f h e a t a n d l i g h t S u n e m i t s a b o u t 5 0 0 0 0 0 0 t o n s o f e n e r g y p e r s e c o n d i n t h e f o r m o f g a m m a r a y s w h e n h y d r o g e n i s c o n v e r t e d t o h e l i u m [ 1 9 ] A s t h e s e r a y s t r a v e l t o w a r d s t h e e a r t h ’ s s u r f a c e t h e e n e r g y i s c o n t i n u o u s l y a b s o r b e d a n d r e e m i t t e d a t l o w e r a n d l o w e r t e m p e r a t u r e s s o t h a t b y t h e t i m e t h e y r e a c h t h e s u r f a c e i t i s p r i m a r i l y v i s i b l e l i g h t A b o u t 9 8 % o f t h e t o t a l e n e r g y r a d i a t e d f r o m t h e s u n i n t h e o u t e r s p a c e l i e s b e t w e e n t h e w a v e l e n g t h s o f 0 2 5 m t o 3 m

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2 F i g u r e 1 1 P a s t a n d P r o j e c t e d T r e n d s i n E n e r g y D e m a n d [ 1 8 ] F i g u r e 1 2 R e g i o n a l S h a r e s o f W o r l d E n e r g y C o n s u m p t i o n 1 9 9 9 a n d 2 0 2 0 [ 1 8 ] O E C D ( D e v e l o p e d c o u n t r i e s ) L a t i n A m e r i c a a n d C a r i b b e a n ( e x c l u s i v e M e x i c o ) A f r i c a C e n t r a l a n d E a s t e r n E u r o p e a n d F o r m e r S o v i e t U n i o n N o n O E C D A s i a ( e x c l u d i n g S o v i e t U n i o n ) M i l l i o n m e t r i c t o n s o f o i l e q u i v a l e n t C e n t r a l a n d S o u t h A m e r i c a A f r i c a M i d d l e E a s t D e v e l o p i n g A s i a E a s t e r n E u r o p e / F o r m e r S o v i e t U n i o n I n d u s t r i a l i z e d A s i a W e s t e r n E u r o p e N o r t h A m e r i c a P e r c e n t P e r c e n t i n I n 1 9 9 9 I n 2 0 2 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0

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3 1 2 S o l a r C e l l S o l a r C e l l c o n v e r t s s u n l i g h t i n t o e l e c t r i c i t y u s i n g p h o t o v o l t a i c e f f e c t p r i n c i p l e T h e a m o u n t o f p o w e r o b t a i n e d f r o m a p h o t o v o l t a i c d e v i c e i s d e t e r m i n e d b y ( 1 ) T h e t y p e a n d a r e a o f t h e m a t e r i a l u s e d ( 2 ) T h e i n t e n s i t y o f t h e s u n l i g h t ( 3 ) T h e w a v e l e n g t h o f t h e s u n l i g h t T h e m a j o r d r a w b a c k s ( p r o b l e m s o r i s s u e s t o o v e r c o m e ) o f s o l a r e n e r g y a r e ( 1 ) T h e i n t e r m i t t e n t a n d v a r i a b l e m a n n e r i n w h i c h i t a r r i v e s a t t h e e a r t h s s u r f a c e ( 2 ) T h e l a r g e a r e a r e q u i r e d t o c o l l e c t i t a t a u s e f u l r a t e 1 3 S o l a r S p e c t r u m T h e s u n c a n b e d e s c r i b e d a s a s p h e r e o f g a s h e a t e d b y t h e n u c l e a r f u s i o n r e a c t i o n a t i t s c e n t e r T h e s p e c t r a l d i s t r i b u t i o n o f t h e r a d i a t i o n e m i t t e d f r o m t h e s u n i s d e t e r m i n e d b y t h e t e m p e r a t u r e a t t h e s u r f a c e o f t h e s u n w h i c h i s a b o u t 6 0 0 0oK T h e S u n r e l e a s e s 9 5 % o f i t s e n e r g y a s v i s i b l e l i g h t [ 2 0 ] Y e t v i s i b l e l i g h t r e p r e s e n t s o n l y a f r a c t i o n o f t h e t o t a l r a d i a t i o n s p e c t r u m ; i n f r a r e d a n d u l t r a v i o l e t r a y s a r e a l s o s i g n i f i c a n t p a r t s o f t h e s o l a r s p e c t r u m T h e s u n e m i t s v i r t u a l l y a l l o f i t s r a d i a t i o n e n e r g y i n a s p e c t r u m o f w a v e l e n g t h s E a c h w a v e l e n g t h c o r r e s p o n d s t o a f r e q u e n c y a n d a n e n e r g y ; t h e s h o r t e r t h e w a v e l e n g t h t h e h i g h e r t h e f r e q u e n c y a n d t h e g r e a t e r t h e e n e r g y ( e x p r e s s e d i n e l e c t r o n v o l t s e V ) F o r e x a m p l e r e d l i g h t i s a t t h e l o w e n e r g y e n d a n d v i o l e t l i g h t i s a t t h e h i g h e n e r g y e n d ( h a v i n g t w i c e a s m u c h e n e r g y a s r e d l i g h t a s i n f i g u r e 1 3 ) I n t h e i n v i s i b l e p o r t i o n s o f t h e s p e c t r u m p h o t o n s i n t h e u l t r a v i o l e t r e g i o n h a v e m o r e e n e r g y t h a n t h o s e i n t h e v i s i b l e r e g i o n S i m i l a r l y t h e p h o t o n s i n t h e i n f r a r e d r e g i o n h a v e l e s s e n e r g y t h a n t h e p h o t o n s i n t h e v i s i b l e r e g i o n [ 1 9 ]

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4 F i g u r e 1 3 S o l a r S p e c t r u m P h o t o n E n e r g y f o r i t s C o r r e s p o n d i n g W a v e l e n g t h [ 1 9 ] T h e s p e c t r a l c o n t e n t o f s u n l i g h t c h a n g e s t h r o u g h o u t t h e d a y a n d a c c o r d i n g t o c l i m a c t i c c o n d i t i o n s T h e r a d i a n t p o w e r p e r u n i t a r e a p e r p e n d i c u l a r t o t h e e a r t h ’ s a t m o s p h e r e b u t a t a m e a n e a r t h s u n d i s t a n c e i s e s s e n t i a l l y c o n s t a n t a n d i s r e f e r r e d t o a s a i r m a s s z e r o ( A M 0 ) T h e i n t e n s i t y o f t h i s r a d i a t i o n i s 1 3 5 3 K W / m2. S o l a r r a d i a t i o n i s a t t e n u a t e d s e l e c t i v e l y a t v a r i o u s w a v e l e n g t h s d u e t o ( a ) a b s o r p t i o n b y t h e a t m o s p h e r e c o n s i s t u e n t g a s e s ( O2, o z o n e w a t e r v a p o r C O2 e t c ) a n d ( b ) c o n s t a n t l y c h a n g i n g p o s i t i o n o f s u n T h e s p e c t r a l p o w e r d i s t r i b u t i o n o b s e r v e d w h e n t h e s u n i s a t a n a n g l e o f a b o u t 4 8o c o r r e s p o n d s t o t h e A M 1 5 s p e c t r u m ( a s i n f i g u r e 1 4 ) I t s t o t a l p o w e r d e n s i t y i s F i g u r e 1 4 T h e P a t h L e n g t h ( i n u n i t s o f A i r M a s s ) C h a n g e s w i t h t h e Z e n i t h A n g l e [ 2 1 ]

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5 8 4 4 W / m2. T h e s t a n d a r d A M 1 5 s p e c t r u m s h o w n i n f i g u r e 1 5 i s n o r m a l l y u s e d i n s o l a r c e l l a n a l y s i s F i g u r e 1 5 S p e c t r a l D i s t r i b u t i o n o f S o l a r E n e r g y [ 1 0 ] 1 4 S o l a r C e l l P h y s i c s a n d P h o t o v o l t a i c E f f e c t A F r e n c h s c i e n t i s t E d m u n d B e c q u e r e l f i r s t r e p o r t e d t h e p h o t o v o l t a i c e f f e c t i n 1 8 3 9 ; h e a l s o f o u n d t h a t c e r t a i n m a t e r i a l s w o u l d p r o d u c e s m a l l a m o u n t s o f e l e c t r i c c u r r e n t w h e n e x p o s e d t o l i g h t F u l l e r C h a p i n a n d P e a r s o n p r o d u c e d t h e f i r s t s o l a r c e l l i n 1 9 5 4 w i t h 6 % e f f i c i e n c y O n e o f t h e f i r s t s a t e l l i t e s V a n g u a r d I ( 1 9 5 8 ) u s e d S i l i c o n P V c e l l s t o p o w e r a r a d i o b e a c o n W h e n p h o t o n s f r o m s u n l i g h t s t r i k e a s o l a r c e l l t h e y m a y b e a b s o r b e d r e f l e c t e d o r t r a n s m i t t e d W h e n p h o t o n s a r e a b s o r b e d b y a s o l a r c e l l e l e c t r o n h o l e p a i r s a r e c r e a t e d T h e b u i l t i n e l e c t r i c f i e l d s w e e p s t h e s e e l e c t r o n s a n d h o l e s i n o p p o s i t e d i r e c t i o n s T h i s p r o c e s s o f c o n v e r t i n g l i g h t ( p h o t o n s ) t o e l e c t r i c i t y ( v o l t a g e ) i s c a l l e d t h e p h o t o v o l t a i c ( P V ) e f f e c t T h e c o n f i g u r a t i o n o f a p n j u n c t i o n b e f o r e a n d a f t e r t h e j u n c t i o n f o r m a t i o n i s s h o w n i n f i g u r e 1 6 a n d f i g u r e 1 7 r e s p e c t i v e l y

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6 F i g u r e 1 6 ( a ) n t y p e S e m i c o n d u c t o r ( b ) p t y p e S e m i c o n d u c t o r F i g u r e 1 7 E n e r g y B a n d D i a g r a m o f a p n J u n c t i o n ( a ) B e f o r e M e r g i n g a n d ( b ) A f t e r M e r g i n g n T y p e a n d p t y p e R e g i o n s W h e n a p t y p e a n d n t y p e m a t e r i a l a r e b r o u g h t i n c o n t a c t w i t h e a c h o t h e r t h e f e r m i l e v e l m u s t b e c o n s t a n t t h r o u g h o u t t h e j u n c t i o n T h i s r e s u l t s i n b e n d i n g o f t h e c o n d u c t i o n a n d t h e v a l a n c e b a n d s a t t h e j u n c t i o n T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e f e r m i l e v e l s i n b o t h t h e m a t e r i a l s a p p e a r s a c r o s s t h e j u n c t i o n a s b u i l t i n p o t e n t i a l Vb i. T h i s p o t e n t i a l d i f f e r e n c e a c t s a s a b a r r i e r a l l o w i n g t h e c u r r e n t t o f l o w a c r o s s t h e j u n c t i o n i n o n l y o n e d i r e c t i o n i e m a k i n g t h e j u n c t i o n t o a c t a s a r e c t i f i e r T h i s b u i l t i n p o t e n t i a l i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n

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7 =2lni DA bin NN q kT V (1) Where, NA Acceptor impurity concentration per cm3 ND Donor impurity concentration per cm3 ni Intrinsic impurity concentration per cm3 k Boltzmann constant Ttemperature in oK The Depletion width W is given by, () 2 12 b t n f + = VV NN NN q Wbi DA DAse (2) Where, V is the external voltage bias across the junction in volts s is the permittivity of the semiconductor = o r At thermal equilibrium, electrons and holes closer to the metallurgical junction diffuse across the junction due to the concentration gradient. The electric field at the junction due to ionized acceptors and donors causes a drift of carriers in a direction opposite to the concentration gradient. The diffusion of carriers continues until the drift current balances the diffusion current, thereby reaching a thermal equilibrium. This process results in creating a region depleted of carriers, called the depletion region. In figure 1.8 the depletion region extends from x = xp to x = xn.

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8 F i g u r e 1 8 B a n d D i a g r a m o f p n J u n c t i o n i n T h e r m a l E q u i l i b r i u m [ 1 3 ] 1 5 T y p e s o f p n J u n c t i o n s p n j u n c t i o n s a r e c l a s s i f i e d a s ( a ) H o m o j u n c t i o n ; ( b ) H e t e r o j u n c t i o n 1 5 1 H o m o j u n c t i o n A p n j u n c t i o n f o r m e d b e t w e e n t h e s a m e s e m i c o n d u c t o r a c t i n g a s t h e p t y p e a n d n t y p e m a t e r i a l i s k n o w n a s h o m o j u n c t i o n A j u n c t i o n f o r m e d b e t w e e n p t y p e S i d o p e d w i t h b o r o n a n d n t y p e S i d o p e d w i t h p h o s p h o r u s i s a n e x a m p l e o f h o m o j u n c t i o n 1 5 2 H e t e r o j u n c t i o n T h e j u n c t i o n f o r m e d w h e n t w o d i f f e r e n t s e m i c o n d u c t o r s d o p e d p t y p e a n d n t y p e a r e b r o u g h t t o g e t h e r i s c a l l e d a h e t e r o j u n c t i o n T h e e n e r g y b a n d d i a g r a m p r i o r t o t h e j u n c t i o n f o r m a t i o n i s s h o w n i n f i g u r e 1 9 E l e c t r o n a f f i n i t y i s t h e e n e r g y r e q u i r e d t o r e m o v e a n e l e c t r o n f r o m t h e b o t t o m o f t h e c o n d u c t i o n b a n d Ec. T h e e n e r g y r e q u i r e d t o r e m o v e a n e l e c t r o n f r o m t h e f e r m i l e v e l Ef t o v a c u u m i s c a l l e d t h e w o r k f u n c t i o n m. T h e t w o m a t e r i a l s i n f i g u r e 1 1 0 h a v e d i f f e r e n t b a n d g a p s Eg 1 a n d Eg 2, d i f f e r e n t e l e c t r o n a f f i n i t i e s 1 a n d 2, d i f f e r e n t w o r k f u n c t i o n s 1 a n d 2 a n d d i f f e r e n t p e r m i t t i v i t i e s 1 a n d 2. T h e e n e r g y b a n d d i a g r a m a t e q u i l i b r i u m a f t e r f o r m i n g t h e h e t e r o j u n c t i o n i s s h o w n i n f i g u r e 1 1 0 T h e d i s c o n t i n u i t i e s i n t h e c o n d u c t i o n a n d v a l e n c e b a n d s c a n b e r e p r e s e n t e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s Ec = 1 2 Ev = ( Eg 2 Eg 1 Ec)

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9 F i g u r e 1 9 E n e r g y B a n d D i a g r a m B e f o r e J u n c t i o n F o r m a t i o n T h i s d i s c o n t i n u i t y i s c a u s e d d u e t o t h e d i f f e r e n c e i n b a n d g a p s e l e c t r o n a f f i n i t i e s a n d w o r k f u n c t i o n s o f t h e t w o m a t e r i a l s A l s o a p o i n t t o b e n o t e d h e r e i s t h a t d u e F i g u r e 1 1 0 E n e r g y B a n d D i a g r a m A f t e r J u n c t i o n F o r m a t i o n t o t h e s m a l l Ec, t h e m i n o r i t y c a r r i e r s i n t h e p s i d e w i l l n o t b e i m p e d e d f r o m f l o w i n g a c r o s s t h e j u n c t i o n b u t t h e d i s c o n t i n u i t y i n t h e v a l e n c e b a n d Ev f o r m s a b a r r i e r f o r t h e f l o w o f m i n o r i t y c a r r i e r s ( h o l e s ) f r o m t h e n s i d e t o t h e p s i d e [ 1 ] [ 7 ] 1 5 3 p n J u n c t i o n U n d e r B i a s W h e n a r e v e r s e b i a s i s a p p l i e d t o a p n j u n c t i o n t h e b a r r i e r h e i g h t i n c r e a s e s a n d r e t a r d s t h e f l o w o f t h e m a j o r i t y c a r r i e r s T h e r e f o r e i n r e v e r s e b i a s t h e m i n o r i t y c a r r i e r s

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1 0 s t a r t t o d r i f t r e s u l t i n g i n a v e r y s m a l l d r i f t c u r r e n t Jd r i f t a n d a l m o s t z e r o d i f f u s i o n c u r r e n t Jd i f f. W h e n a f o r w a r d b i a s i s a p p l i e d t h e d e p l e t i o n w i d t h d e c r e a s e s w h i c h i n t u r n r e d u c e s t h e b u i l t i n f i e l d a n d t h e b a r r i e r h e i g h t T h i s a l l o w s m o r e m a j o r i t y c a r r i e r s t o f l o w a c r o s s t h e j u n c t i o n r e s u l t i n g i n a l a r g e r d i f f u s i o n c u r r e n t 1 6 A b s o r p t i o n o f L i g h t i n P h o t o v o l t a i c D e v i c e s I f t h e e n e r g y o f t h e i n c i d e n t p h o t o n i s g r e a t e r t h a n o r e q u a l t o t h e e n e r g y r e q u i r e d t o r e l e a s e a n e l e c t r o n f r o m t h e v a l e n c e b a n d t o t h e c o n d u c t i o n b a n d t h e n t h e i n c i d e n t p h o t o n c o n t r i b u t e s t o t h e o u t p u t o f t h e s o l a r c e l l T h e a m o u n t o f l i g h t t h a t i s a b s o r b e d b y t h e s e m i c o n d u c t o r i s g i v e n b y t h e B e e r ’ s L a w t o te I Ia-= ( 3 ) It l i g h t i n t h e s e m i c o n d u c t o r a t d e p t h t f r o m t h e s u r f a c e I0 i n t e n s i t y o f l i g h t i n c i d e n t o n t h e s e m i c o n d u c t o r a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e s e m i c o n d u c t o r t d e p t h o f t h e s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l f r o m t h e s u r f a c e o f i n c i d e n t l i g h t T h e e n e r g y o f t h e i n c i d e n t p h o t o n i s g i v e n b y l l 2 4 1 = = h c E e V ( 4 ) E e n e r g y o f t h e p h o t o n c o r r e s p o n d i n g t o w a v e l e n g t h ( m ) h P l a n k s c o n s t a n t c V e l o c i t y o f l i g h t i n V a c u u m ( 3 X 1 08 m / s e c ) T h e s i m p l e s t r u c t u r e o f s o l a r c e l l i s s h o w n i n f i g u r e 1 1 1 F i g u r e 1 1 1 S i m p l e S o l a r C e l l U n d e r L o a d N L a y e r P L a y e r

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1 1 1 7 R e q u i r e m e n t s f o r S o l a r C e l l s T h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e s o l a r c e l l a r e 1 T h e C e l l m u s t b e s u f f i c i e n t l y t h i c k s o t h a t e x c e s s e l e c t r o n h o l e p a i r s c a n b e g e n e r a t e d b y t h e a b s o r p t i o n o f t h e l i g h t 2 M e c h a n i s m o f s e p a r a t i n g t h e p h o t o g e n e r a t e d c u r r e n t 3 P h o t o g e n e r a t e d c a r r i e r s m u s t s u r v i v e l o n g e n o u g h ( c a r r i e r l i f e t i m e s h o u l d b e m o r e ) t o b e d r i v e n t o t h e e x t e r n a l l o a d [ 2 ] T h e F i r s t r e q u i r e m e n t i s s a t i s f i e d b y h a v i n g t h e t h i c k e r p t y p e b a s e t o e x c e e d t h e a b s o r p t i o n l e n g t h ; T h e s e c o n d i s s a t i s f i e d b y h a v i n g a p n j u n c t i o n ( p t y p e b a s e n t y p e e m i t t e r ) a n d i t s c o r r e s p o n d i n g b u i l d i n f i e l d T h e t h i r d c o n d i t i o n i s s a t i s f i e d b y h a v i n g m o d e r a t e l y d o p e d m a t e r i a l s w i t h l o w c r y s t a l l o g r a p h i c d e f e c t d e n s i t i e s [ 8 ] 1 8 E q u i v a l e n t C i r c u i t o f t h e S o l a r C e l l F i g u r e 1 1 2 r e p r e s e n t s t h e e q u i v a l e n t c i r c u i t o f S o l a r C e l l T h e c u r r e n t t h r o u g h a p n j u n c t i o n d i o d e u n d e r d a r k i s g i v e n b y = 1A k T q V s a te I I ( 5 ) ( a ) ( b ) F i g u r e 1 1 2 E q u i v a l e n t C i r c u i t o f ( a ) I d e a l S o l a r C e l l ( b ) P r a c t i c a l S o l a r C e l l IL V I V IL Rs h Rs

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12 Where I sat -Reverse saturation current; A diode quality factor; V Applied voltage, K Boltzmann constant and T Absolute temperature. In the presence of light, photons are absorbed to create electron hole pairs. Pairs that are generated within a diffusion length of the depletion region will be swept by the built in potential across the junction. Consequently, current due to the light generated carriers called generation current is produced. Including this generation current in the above equation we get = 1AkT qV sateII-Igen (6) where Igen light generated current Similarly, incorporating the effects of series resistance(Rs), series resistance (Rsh ) and A; The total current flowing through the circuit is given by, ( ) sh s AkT IRVq sat genR IRV IIIs+ b t n n f += -1 exp (7) Where, I output current 1.9 Solar Cell Parameters The current-voltage characteristics (I-V) for a Solar Cell under dark and light conditions are shown in figure 1.13. The I-V curve is obtained by plotting the output current as a function of the voltage. The total current flowing through a circuit in the presence of light is given in equation (2).

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1 3 F i g u r e 1 1 3 D a r k a n d L i g h t I V C u r v e s 1 9 1 S h o r t C i r c u i t C u r r e n t Is c T h e s h o r t c i r c u i t c u r r e n t i s f o u n d b y s e t t i n g V = 0 i n d i o d e e q u a t i o n T h i s r e s u l t s i n t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n f o r I s c Is c = Ig e n ( 8 ) W h e r e Ig e n i s l i g h t g e n e r a t e d c u r r e n t S h o r t c i r c u i t c u r r e n t i s n o r m a l l y r e p r e s e n t e d a s c u r r e n t d e n s i t y Js c ( m A / c m2) w h i c h i s g i v e n b y Js c = A I s c ( 9 ) W h e r e A i s t h e a r e a o f t h e s o l a r c e l l 1 9 2 O p e n C i r c u i t V o l t a g e Vo c T o f i n d t h e o p e n c i r c u i t v o l t a g e l e t I = 0 i n e q u a t i o n ( 2 ) a n d s o l v e f o r V + = 1 l ns a t g e n o cI I q k T A V ( 1 0 )

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1 4 1 9 3 F i l l F a c t o r F F A n o t h e r c h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t y o f s o l a r c e l l s o f i n t e r e s t i s t h e f i l l f a c t o r F F w h i c h i s d e f i n e d a s o c s c m m o c s c mV I V I V I P F F = = ( 1 1 ) w h e r e Im, Vm a r e t h e c u r r e n t a n d v o l t a g e a t m a x i m u m p o w e r Pm 1 9 4 E f f i c i e n c y T h e e f f i c i e n c y o f a s o l a r c e l l i s d e f i n e d a s t h e r a t i o o f t h e l i g h t g e n e r a t e d p o w e r f r o m t h e c e l l t o t h e i n c i d e n t p o w e r I t i s a m e a s u r e o f t h e l i g h t e n e r g y s u c c e s s f u l l y c o n v e r t e d t o t h e e l e c t r i c a l e n e r g y E f f i c i e n c y ( % ) i s g i v e n b y t h e r e l a t i o n s c o c i n s c o c i n o u tJ x V x F F P J x V x F F P P = = =h h h ( 1 3 ) A t 2 5oC t h e s t a n d a r d r e f e r e n c e s p e c t r u m i r r a d i a n c e i s 1 0 0 m W / c m2. S o Pi n ( p h o t o n e n e r g y i n p u t ) i n t h e e q u a t i o n ( 1 3 ) i s w r i t t e n a s i n e q u a t i o n ( 1 4 ) 1 9 5 S e r i e s R e s i s t a n c e I n f i g u r e 1 1 0 T h e c u r r e n t g e n e r a t e d b y t h e p h o t o n s i s r e p r e s e n t e d b y a n i n d e p e n d e n t s o u r c e T h e t w o r e s i s t o r s a r e s h o w n t o m o d e l t w o l o s s e s i n a s o l a r c e l l Rs l o s s i s p r i m a r i l y d u e t o t h e c o n t a c t r e s i s t a n c e o f t h e f r o n t a n d b a c k c o n t a c t s o f t h e s o l a r c e l l O t h e r c o m p o n e n t t h a t c o n t r i b u t e t o s e r i e s r e s i s t a n c e i s r e s i s t a n c e i n t h e s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l T y p i c a l v a l u e s o f Rs a r e 1 5 nc m2. H i g h Rs v a l u e s l e a d t o a d e c r e a s e i n t h e F F o f t h e s o l a r c e l l w h i c h i n t u r n a f f e c t s t h e e f f i c i e n c y 1 9 6 S h u n t R e s i s t a n c e T h e s h u n t r e s i s t a n c e R s h i s u s e d t o m o d e l l e a k a g e c u r r e n t s S h u n t r e s i s t a n c e m a i n l y a r i s e s d u e t o l e a k a g e c u r r e n t c r e a t e d w i t h i n a s o l a r c e l l S o m e o f t h e r e a s o n s f o r ( 1 4 ) ( 1 2 )

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1 5 t h e o c c u r r e n c e o f t h e s e l e a k a g e p a t h s a r e d u e t o r e c o m b i n a t i o n c u r r e n t a n d s u r f a c e d e f e c t s i n t h e s e m i c o n d u c t o r T h e s e l e a k a g e p a t h s a r e n o t u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d a n d v a r y f r o m o n e c e l l t o a n o t h e r T h e c o m b i n e d e f f e c t o f a l l t h e l e a k a g e p a t h s c o n s t i t u t e t h e t e r m c a l l e d s h u n t r e s i s t a n c e R s h T y p i c a l v a l u e s o f R s h a r e 1 03 t o 1 07 nc m2. 1 9 7 Q u a n t u m E f f i c i e n c y F o r i d e a l s o l a r c e l l e v e r y i n c i d e n t p h o t o n w o u l d g e n e r a t e a n e l e c t r o n h o l e p a i r a n d e a c h o f t h e p h o t o c a r r i e r s w o u l d m a k e i t t o t h e d e p l e t i o n r e g i o n w h e r e t h e y c o u l d b e s e p a r a t e d a n d c o l l e c t e d P h o t o n s w i t h e n e r g y l e s s t h a n t h e b a n d g a p h a v e i n s u f f i c i e n t e n e r g y t o g e n e r a t e p h o t o c a r r i e r s E v e n i f i t h a s t h e s u f f i c i e n t e n e r g y i t n e e d n o t c o n t r i b u t e t o t h e p h o t o c u r r e n t Q u a n t u m e f f i c i e n c y o f a p h o t o n o f w a v e l e n g t h i s t h e p r o b a b i l i t y t h a t t h e p h o t o n c o n t r i b u t e s a n e l e c t r o n t o t h e p h o t o c u r r e n t I t i s t h e m e a s u r e o f t h e e f f e c t i v e n e s s o f a d e v i c e t o p r o d u c e e l e c t r o n i c c h a r g e f r o m i n c i d e n t p h o t o n s Q u a n t u m e f f i c i e n c y ( Q E ) d e s c r i b e s r e s p o n s e o f t h e d e v i c e t o d i f f e r e n t w a v e l e n g t h s o f l i g h t q t h e u n i t c h a r g e t h e p h o t o n w a v e l e n g t h h P l a n c k ’ s c o n s t a n t c t h e s p e e d o f l i g h t i n a i r IS C() s h o r t c i r c u i t c u r r e n t a n d P i s i n c i d e n t l i g h t p o w e r T h e Q E i s e x p e c t e d t o b e z e r o f o r p h o t o n s w i t h e n e r g y l e s s t h a n t h e a b s o r b e r b a n d g a p F o r p h o t o n s w i t h a l a r g e r e n e r g y t h e Q E c a n b e a s l a r g e a s 1 0 0 % b u t i s o f t e n l o w e r T h e r e a r e s e v e r a l r e a s o n s f o r t h i s F i r s t t h e r e i s a p r o b a b i l i t y t h a t t h e p h o t o n i s r e f l e c t e d a t t h e t o p i n t e r f a c e a n d n e v e r e n t e r s t h e s o l a r c e l l S e c o n d l y m a n y p h o t o n s t h a t e n t e r t h e t o p o f t h e c e l l g e t a d s o r b e d i n t h e u p p e r l a y e r s n e v e r r e a c h i n g t h e a b s o r b e r l a y e r b e l o w T h i s i s t r u e f o r h e t r o j u n c t i o n s a n d p h o t o n s w i t h e n e r g y l a r g e r t h a n t h e b a n d ( 1 5 )

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1 6 g a p o f t h e t r a n s p a r e n t c o n d u c t i n g o x i d e ( T C O ) a n d w i n d o w l a y e r T h e T C O i s t h e t r a n s p a r e n t f r o n t c o n t a c t f o r t h e s o l a r c e l l s a n d t h e w i n d o w l a y e r ( i n t h i s t h e s i s i t i s C d S ) i s t h e l a r g e b a n d g a p h e t r o j u n c t i o n p a r t n e r f o r t h e a b s o r b e r ( i n t h i s t h e s i s i t i s C d T e ) T h i r d e v e n i f a p h o t o n r e a c h e s t h e a b s o r b e r l a y e r w i t h s u f f i c i e n t p h o t o n e n e r g y t h e p h o t o c a r r i e r s c a n r e c o m b i n e b e f o r e t h e y e n t e r t h e d e p l e t i o n r e g i o n w h e r e t h e y a r e s e p a r a t e d t o b e c o m e a p a r t o f p h o t o c u r r e n t 1 1 0 T y p e s o f S o l a r C e l l s T h e d i f f e r e n t t y p e s o f s o l a r c e l l s a r e s i n g l e c r y s t a l l i n e p o l y c r y s t a l l i n e a n d a m o r p h o u s s o l a r c e l l s a n d m o s t a v a i l a b l e a r e s i l i c o n s o l a r c e l l s S i n g l e c r y s t a l l i n e s i l i c o n s o l a r c e l l s a r e l i m i t e d t o a b o u t 2 5 % e f f i c i e n c y b e c a u s e t h e y a r e m o s t l y s e n s i t i v e t o i n f r a r e d l i g h t a n d r a d i a t i o n i n t h i s r e g i o n o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u m i s r e l a t i v e l y l o w i n e n e r g y P o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o n s o l a r c e l l s a r e s i g n i f i c a n t l y c h e a p e r t o p r o d u c e t h a n s i n g l e c r y s t a l l i n e c e l l s b u t t h e i r e f f i c i e n c i e s a r e a l s o l i m i t e d t o l e s s t h a n 2 0 % d u e t o t h e i n t e r n a l r e s i s t a n c e p r e s e n t a t t h e b o u n d a r i e s o f t h e s i l i c o n c r y s t a l s T h i n f i l m s o l a r c e l l s w h i c h a r e a l s o p o l y c r y s t a l l i n e c a n b e m a d e o n l o w c o s t s u b s t r a t e s s u c h a s g l a s s p o l y m e r o r p l a s t i c T h e o t h e r a d v a n t a g e s a r e t h a t t h e y h a v e a s i m p l e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s w i t h t h e a b i l i t y t o a c h i e v e q u i t e h i g h c o n v e r s i o n e f f i c i e n c i e s T h i n f i l m s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s t h a t h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d s o f a r a r e g r o u p I I I V a n d I I V I c o m p o u n d s I I I V c o m p o u n d s m a i n l y c o m p r i s e o f G a l l i u m A r s e n i d e ( G a A s ) b u t h a v e n ’ t g a i n e d m u c h i n t e r e s t d u e t o t h e h i g h c o s t o f p r o d u c t i o n a n d e n v i r o n m e n t a l c o n s i d e r a t i o n s a s a r s e n i c i s e x t r e m e l y h a z a r d o u s I n t h e I I V I s e t o f c o m p o u n d s C a d m i u m T e l l u r i d e ( C d T e ) a n d C o p p e r I n d i u m D i s e l e n i d e ( C I S ) p l a y a m a j o r r o l e i n t h i n f i l m s o l a r c e l l s m a n u f a c t u r i n g C d T e i s o n e o f t h e m o s t p r o m i s i n g a b s o r b e r s ( p t y p e f i l m ) f o r s o l a r c e l l f a b r i c a t i o n d u e t o i t s h i g h a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t a n d a b a n d g a p o f 1 4 5 e V w h i c h i s t h e i d e a l b a n d g a p r e q u i r e d b y a m a t e r i a l t o a b s o r b m o s t o f t h e l i g h t f r o m t h e s u n

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1 7 C H A P T E R 2 L I T E R A T U R E R E V I E W I n t h i s c h a p t e r t h e T i n O x i d e ( S n O2) a n d Z i n c S t a n n a t e ( Z n S n O ) p r o p e r t i e s a r e d i s c u s s e d T h e e f f e c t o f u s i n g Z T O f i l m s i n C d T e s o l a r c e l l s i s a l s o d i s c u s s e d 2 1 T i n O x i d e T i n O x i d e i s t h e m o s t c o m m o n l y u s e d T r a n s p a r e n t C o n d u c t i n g O x i d e ( T C O ) f o r C d T e s o l a r c e l l s D u e t o i t s h i g h c o n d u c t i v i t y l o w r e f l e c t a n c e ( w i d e b a n d g a p o f 3 8 5 e V ) l o w s h e e t r e s i s t a n c e [ 1 4 ] a n d i t c a n b e d e p o s i t e d b y v a r i o u s m e t h o d s l i k e s p r a y p y r o l y s i s A P C V D M O C V D S p u t t e r i n g e t c T h e M O C V D S n O2 u s i n g T M T a s p r e c u r s o r i s g r o w n b e t w e e n 5 0 0 a n d 7 0 0 C A s t h e g r o w t h t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s g r a i n s i z e w i l l i n c r e a s e a n d h e n c e s u r f a c e r o u g h n e s s a l s o i n c r e a s e s A p p r o p r i a t e F l u o r i n e d o p i n g c a n r e d u c e t h e s h e e t r e s i s t a n c e b y m o r e t h a n 5 t i m e s t h e v a l u e o f t h e s h e e t r e s i s t a n c e o f u n d o p e d f i l m s [ 1 4 ] F i g u r e 2 1 S n O2 S t r u c t u r e [ 1 3 ]

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1 8 S n O2 h a s a t e t r a g o n a l r u t i l e s t r u c t u r e [ 2 3 ] a s s h o w n i n f i g u r e 2 1 E a c h t i n a t o m i s a t t h e c e n t e r o f s i x o x y g e n a t o m s a n d e a c h o x y g e n a t o m i n t u r n i s s u r r o u n d e d b y t h r e e t i n a t o m s O x y g e n v a c a n c i e s a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e n t y p e c o n d u c t i v i t y o f t h e S n O2 f i l m F l u o r i n e d o p i n g n o t o n l y i n c r e a s e s t h e c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n b u t a l s o i n c r e a s e s t h e e l e c t r o n m o b i l i t y ( ) o f t h e f i l m F o r u n d o p e d S n O2 f i l m s i s ~ 1 c m2/V s a n d e l e c t r o n c o n c e n t r a t i o n i s i n t h e l o w 1 0 1 8 c m3 r a n g e F d o p e d f i l m s h a v e h i g h e r a b s o r p t i o n t h a n t h e u n d o p e d f i l m s F o r u n d o p e d S n O2 f i l m s t h e o p t i c a l a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t ( a v e r a g e b e t w e e n 5 0 0 a n d 9 0 0 n m ) i s ~ 6 0 0 c m1 c o m p a r e d t o ~ 1 2 0 0 c m1 f o r F d o p e d f i l m [ 1 3 ] S n O2 i s m o s t l y t r a n s p a r e n t i n v i s i b l e a n d i n f r a r e d r e g i o n s T r a n s p a r e n c y o f t h e f i l m i s d e p e n d i n g o n f i l m g r o w t h t h i c k n e s s a n d o x y g e n c o n c e n t r a t i o n F i g u r e 2 2 S n O2 T r a n s m i s s i o n a n d R e f l e c t i o n [ 1 3 ] F o r c o n v e n t i o n a l h i g h e f f i c i e n c y o f 1 5 8 % d e v i c e S n O2 i s d e p o s i t e d i n b i l a y e r F i r s t l a y e r i s F d o p e d s e c o n d b e i n g u n i n t e n t i o n a l l y d o p e d S n O2 l a y e r T h i s I n t r i n s i c l a y e r i s e x p e c t e d t o p r e v e n t c o n t a c t b e t w e e n t h e d o p e d S n O2 ( T C O ) a n d C d T e B u t t h i s b i l a y e r h a s s o m e d r a w b a c k s l i k e : T o o b t a i n h i g h Js c C d S t h i c k n e s s i s n e e d e d t o b e r e d u c e d i n f e r i o r d e v i c e p e r f o r m a n c e i s r e s u l t e d d u e t o t h i c k n e s s r e d u c t i o n r e s u l t i n g i n m i c r o s h u n t s C d S d o e s n o t i n t e r d i f f u s e s w i t h S n O2, w h e r e a s t h e Z T O d o e s w h i c h h e l p s i n t h e h i g h e r J s c w i t h o u t T r a n s m i s s i o n R e f l e c t a n c e ( % )

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1 9 e f f e c t i n g d e v i c e p a r a m e t e r s Z T O r e s i s t i v i t i y i s h i g h e r t h a n S n O2: F w h i c h h e l p s i n p r e v e n t i n g p i n h o l e s S o Z T O i s p r e f e r r e d t o i n t r i n s i c S n O2. S o m e m o r e a d v a n t a g e s o f t h i s b u f f e r l a y e r a r e : 1 I t p r e v e n t s f o r m a t i o n o f l o c a l i z e d T C O / C d T e j u n c t i o n s t h e r e b y h i g h Js c a r e a c h i e v a b l e 2 I t a l s o h e l p s i n a d h e s i o n b y r e l i e v i n g t h e s t r e s s e s b e t w e e n T C O / C d S l a y e r s 3 S h u n t i n g p r o b l e m i s r e d u c e d b e c a u s e t h i s l a y e r i s h i g h l y r e s i s t a n t t o e t c h i n g w h i l e b a c k c o n t a c t i n g [ 1 2 ] 2 2 Z i n c S t a n n a t e T w o c o m p o u n d s r e p o r t e d i n Z n S n O s y s t e m a r e i l u m e n i t e Z n S n O3 a n d t h e I n v e r s e s p i n e l Z n2S n O4 ( f i g 2 4 ) [ 1 5 ] Y o u n g e t a l [ 9 ] d e s c r i b e d f r o m t h e i r w o r k t h a t Z n2S n O4 f i l m s w e r e g r o w n b y R F m a g n e t r o n s p u t t e r i n g o n t o g l a s s s u b s t r a t e s a t R T T h e a s d e p o s i t e d f i l m s w e r e a m o r p h o u s b y X R D i n f i g 2 3 B u t s u b s e q u e n t a n n e a l i n g a t 6 0 0 C i n A r g a v e p o l y c r y s t a l l i n e u n i a x i a l l y o r i e n t e d f i l m s w i t h r e s i s t i v i t i e s o f 1 021 03 nc m a n d m o b i l i t i e s o f 1 6 – 2 6 c m2/ V s a n d n t y p e c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n s a s l o w a s 1 01 9 c m3[ 9 ] D u e t o l o w m o b i l i t i e s t h e f i l m i s n o t c o m p l e t e l y c r y s t a l l i z e d F i g u r e 2 4 ( a ) s h o w s t r a n s m i t t a n c e r e f l e c t a n c e a n d a b s o r p t a n c e f o r w a v e l e n g t h s b e t w e e n 3 0 0 a n d 2 5 0 0 n m f o r a Z T O f i l m T h e a b s o r p t a n c e i s l e s s t h a n 1 5 % o v e r t h e v i s i b l e s p e c t r u m T h e s l i g h t r i s e i n t h e a b s o r p t a n c e c u r v e n e a r 2 3 0 0 n m i s d u e t o a b s o r p t i o n b y f r e e e l e c t r o n s i n t h e c o n d u c t i o n b a n d F i g u r e 2 4 ( b ) g i v e s t h e s h i f t i n t h e b a n d g a p o f Z T O f i l m s w i t h i n c r e a s e i n c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n A p r o n o u n c e d B u r s t e i n – M o s s s h i f t m o v e d t h e o p t i c a l b a n d g a p f r o m 3 3 5 t o a s h i g h a s 3 8 9 e V T h e y f o u n d t h a t ( a ) t o p r e v e n t a n y v o i d s t h e m a t e r i a l g r o w t h s h o u l d b e p e r p e n d i c u l a r t o s u r f a c e ( b ) A n n e a l i n g i n O2 a l w a y s p r o d u c e a n i n s u l a t i n g f i l m ( c ) T i n r i c h c o n d i t i o n s a r e a n i m p o r t a n t a v e n u e t o c a r r i e r p r o d u c t i o n w h i c h l e a d s t o b e t t e r d e v i c e ( d ) R e d u c i n g a n n e a l i n g i n c r e a s e s t h e c a r r i e r d e n s i t i e s l i k e w i s e o x i d i z i n g a n n e a l s d e c r e a s e s t h e c a r r i e r d e n s i t i e s

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2 0 S o m e o f t h e p r o p e r t i e s o f Z i n c S t a n n a t e a r e : 1 H i g h b a n d g a p ( 3 3 e V ) H i g h t r a n s m i t t a n c e L o w a b s o r p t i o n 2 L o w s u r f a c e r o u g h n e s s ( ~ 2 0 ) C h e m i c a l l y s t a b l e l o w s u r f a c e r o u g h n e s s 3 H i g h r e s i s t a n c e a s d e p o s i t e d f i l m s h a v e r e s i s t i v i t i e s o f m o r e t h a n 1 0 0 0 c m 4 N o v o i d s i n f i l m s S m o o t h d e n s e s u r f a c e g r o w s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s u r f a c e F i g 2 3 X R D P a t t e r n s f o r A s d e p o s i t e d a n d A n n e a l e d Z n2S n O4 [ 9 ] F i g u r e 2 4 ( a ) O p t i c a l P r o p e r t i e s ( b ) T r a n s m i s s i o n f o r D i f f e r e n t C a r r i e r C o n c e n t r a t i o n s [ 9 ]

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2 1 2 2 1 Z i n c S t a n n a t e S t r u c t u r e A s d e s c r i b e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n t h e Z n2S n O4 h a s i n v e r s e s p i n e l s t r u c t u r e T h e d e t a i l e d s t r u c t u r a l r e v i e w i s s h o w n i n f i g u r e 2 5 F i g u r e 2 5 S p i n e l S t r u c t u r e o f Z T O [ 2 6 ] [ 1 3 ] A s p i n e l s t r u c t u r e c a n b e d i v i d e d i n t o t w o t y p e s n a m e l y n o r m a l a n d i n v e r s e s p i n e l s t r u c t u r e I n n o r m a l s p i n e l s t r u c t u r e t h e A c a t i o n s o c c u p y t h e t e t r a h e d r a l s i t e s a n d t h e B c a t i o n s o c c u p y t h e o c t a h e d r a l s i t e s T h e u s u a l n o t a t i o n f o r t h i s t y p e o f o c c u p a n c y i s ( A ) [ B 2 ] O4, w h e r e ( ) r e p r e s e n t s t h e t e t r a h e d r a l s i t e s a n d [ ] r e p r e s e n t s t h e o c t a h e d r a l s i t e s S o m e t i m e s t h e A c a t i o n s s w i t c h p l a c e s w i t h o n e h a l f o f t h e B c a t i o n s r e s u l t i n g i n a s t r u c t u r e k n o w n a s t h e i n v e r s e s p i n e l s t r u c t u r e w h i c h i s g i v e n b y t h e n o t a t i o n ( B ) [ A B ] O4. I n s o m e s p i n e l s t r u c t u r e s p a r t i a l i n v e r s i o n t a k e s p l a c e a n d t h i s c a n b e d e n o t e d b y a p a r a m e t e r x k n o w n a s t h e d e g r e e o f i n v e r s i o n [ 1 5 ] T h i s c a n b e b e t t e r u n d e r s t o o d b y t h e f o r m u l a ( A1 xBx) [ AxB2 x] O4. H e r e i f x e q u a l s z e r o i t i s a n o r m a l s p i n e l s t r u c t u r e a n d i f x e q u a l s o n e i t i s a n i n v e r s e s p i n e l s t r u c t u r e H o w e v e r t h e s p i n e l l a t t i c e i s l o c a l l y d i s t o r t e d e n o u g h t o f o r m t w o d i s t i n c t o c t a h e d r a l l y c o o r d i n a t e d S n a n d Z n s i t e s T h e d i s o r d e r i n t h e S n a n d Z n s i t e s i n t h e l a t t i c e s i g n i f i c a n t l y l i m i t s t h e m o b i l i t y o f t h e

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2 2 c a r r i e r s p o s s i b l y b y d i s r u p t i n g t h e e d g e s h a r i n g n a t u r e o f t h e o c t a h e d r a l l y c o o r d i n a t e d c a t i o n s [ 9 ] A c c o r d i n g t o J D P e r k i n s e t a l T h e Z n2S n O4 h a s a r e s i s t i v i t y o f 5 x 1 031 02n c m w h i l e Z n S n O3 w a s f o u n d t o h a v e a c o n d u c t i v i t y o f 4 x 1 03n c m T h e Z n S n O f e a t u r e s a r e l i s t e d b e l o w 1 Z n S n O3 h a s a v e r y h i g h w o r k f u n c t i o n o f 5 3 e V w h i c h a c t s l i k e a h o l e e x t r a c t i n g e l e c t r o d e i n p o l y m e r p h o t o v o l t a i c 2 Z n S n O i s a n i n t e r e s t i n g c o m p o u n d f o r m u l t i n a r y m e t a l o x i d e s y s t e m s l i k e Z n S n I n O a n d Z n S n C d O [ 2 7 ] 2 2 2 I n t e r d i f f u s i o n o f C d S a n d Z i n c S t a n n a t e ( Z n2S n O4) L a y e r s W u E t a l f r o m h i s w o r k f o u n d t h a t t h e i n t e r d i f f u s i o n o f C d S a n d Z i n c s t a n n a t e ( Z n2S n O4) l a y e r s c a n o c c u r e i t h e r a t h i g h t e m p e r a t u r e ( 5 5 0 6 5 0oC ) i n t h e p r e s e n c e o f A r o r a t l o w t e m p e r a t u r e s i n C d C l2 a t m o s p h e r e B y i n t e g r a t i n g Z T O i n t h e C d S / C d T e s o l a r c e l l s t h e Q E i n t h e b l u e r e g i o n i n c r e a s e s r e s u l t i n g i n h i g h e r Js c T h e e f f i c i e n c y o f t h e s e d e v i c e s w a s r e p o r t e d t o b e a r o u n d 1 5 8 % a n d 1 6 4 % ( Vo c o f 8 4 5 m V 7 5 5 1 % F F Js c= 2 5 8 8 m A / c m2) w i t h Vo c = 8 4 4 3 m V J s c = 2 5 m A / c m2 a n d F F = 7 4 8 2 [ 1 2 ] [ 3 1 ] Z i n c s t a n n a t e d e p o s i t e d i n p u r e O2 a t R T C d S b y C B D a n d C d T e d e p o s i t i o n a t ( 5 5 0 6 3 0oC ) T h e a s d e p o s i t e d Z n2S n O4 i s a m o r p h o u s a n d h a v e r e s i s t i v i t i e s o f m o r e t h a n 1 0 0 0 0 n c m a f t e r C d T e d e p o s i t i o n a t h i g h t e m p e r a t u r e s t h e Z n2S n O4 c h a n g e d t o p o l y c r y t a l l i n e a n d r e s i s t i v i t y r e d u c e d t o 1 1 0 n c m T h e y a l s o f o u n d o u t t h a t t h i s i n t e r d i f f u s i o n i s m o r e i n Z T O f i l m s a f t e r C d C l2 T r e a t m e n t T a b l e 2 1 S n O2 a n d C T O D e v i c e s B e f o r e a n d A f t e r Z T O I n t e g r a t i o n D e v i c e s t r u c t u r e Vo c [ m V ] J s c [ m A / c m2] F F [ % ] E f f i c i e n c y [ % ] S n O2/ C d S / C d T e 8 0 6 7 2 2 6 1 7 4 0 2 1 3 5 C T O / C d S / C d T e 8 0 5 2 2 3 5 3 7 3 7 7 1 4 0 S n O2/ Z T O / C d S / C d T e 8 3 0 1 2 4 1 0 7 4 1 5 1 4 8 C T O / Z T O / C d S / C d T e 8 4 4 3 2 5 0 0 7 4 8 2 1 5 8

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2 3 F i g u r e 2 6 R e l a t i v e Q u a n t u m E f f i c i e n c y o f T w o D e v i c e S t r u c t u r e s [ 1 2 ] D e v i c e s w e r e a l s o f a b r i c a t e d b y r e p l a c i n g t h e S n O2 w i t h C a d m i u m S t a n n a t e ( C T O ) Z T O w a s u s e d a s a b u f f e r l a y e r i n o n e o f t h e s e d e v i c e s D e v i c e s f a b r i c a t e d w i t h a n d w i t h o u t Z T O a r e c o m p a r e d a s s h o w n i n t a b l e 2 4 F r o m f i g u r e 2 1 1 w e c a n s e e t h a t t h e Q E o f C T O / Z T O / C d S / C d T e c e l l i s m u c h b e t t e r t h a n t h a t o f a C T O / C d S / C d T e c e l l a t t h e s h o r t w a v e l e n g t h r e g i o n a n d a l s o a t h i g h w a v e l e n g t h s I t i n d i c a t e s t h a t c o n s i d e r a b l e a m o u n t o f C d S c a n b e c o n s u m e d t h r o u g h i n t e r d i f f u s i o n a t b o t h t h e C d T e a n d Z T O s i d e s d u r i n g t h e d e v i c e f a b r i c a t i o n p r o c e s s T h e m o d i f i e d C T O / Z T O / C d S / C d T e c e l l h a s t h i c k e r C d S f i l m ( ~ 8 0 0 ) h a s Q E o f 7 0 % a t 4 5 0 n m D u r i n g i n t e r d i f f u s i o n Z T O f i l m a c t s a s a Z n S o u r c e t o a l l o y w i t h t h e C d S f i l m T h e b a n d g a p o f Z nxC d1 xS v a r i e s a l m o s t l i n e a r l y w i t h t h e a t o m i c f r a c t i o n o f t h e Z i n c ( x ) A s t h e Z n f r o m Z T O d i f f u s e s i n t o t h e C d S t h e r e b y t h e b a n d g a p o f t h e Z nxC d1 xS a l l o y i n c r e a s e s W h i c h s h i f t s t h e s h o r t w a v e l e n g t h c u t o f f t o s m a l l e r v a l u e l e a d i n g t o i n c r e a s e i n Js c. 2 2 3 C o m p a r i s o n o f V a r i o u s T C O ’ s W u C o u t t s e t a l [ 1 6 ] c o m p a r e d t h e o p t i c a l a n d s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s o f v a r i o u s T C O m a t e r i a l s a n d s u m m a r i z e d i n t a b l e 2 2 T h e f i l m w a s d e p o s i t e d i n p u r e o x y g e n a n d t h e s u b s t r a t e w a s n o t d e l i b e r a t e l y h e a t e d A n n e a l i n g w a s p e r f o r m e d i n p u r e a r g o n a t a t e m p e r a t u r e o f 6 5 0 C D u e t o f i l m w i t h l o w c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n a n d m o b i l i t y i t s r e s i s t i v i t y i s h i g h T h e f i l m b e f o r e a n d a f t e r a n n e a l i n g i s s h o w n i n f i g u r e 2 6 T h e f i l m t u r n e d i n t o p o l y c r y s t a l l i n e a f t e r a n n e a l i n g

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2 4 T a b l e 2 2 P r o p e r t i e s o f V a r i o u s T C O ’ s [ 1 6 ] M a t e r i a l T h i c k n e s s ( n m ) C a r r i e r C o n c e n t r a t i o n ( 1 02 0 c m3) M o b i l i t y ( c m2/ V s ) R e s i s t i v i t y ( x 1 04 c m ) C o m m e n t s C a d m i u m S t a n n a t e 5 3 0 9 0 5 9 6 1 2 A n n e a l e d i n C d S / A r C a d m i u m i n d a t e 2 9 0 6 1 4 4 2 2 3 A n n e a l e d i n C d S / A r Z i n c s t a n n a t e 6 2 0 0 0 5 8 1 9 0 5 7 0 N o t y e t o p t i m i z e d Z i n c i n d a t e 4 0 0 2 4 2 0 2 1 3 N o t y e t o p t i m i s e d F i g u r e 2 7 X r a y D i f f r a c t i o n S p e c t r u m o f S p u t t e r e d Z n2S n O4 B e f o r e a n d A f t e r A n n e a l i n g [ 1 6 ] 2 2 4 P r e s e n c e o f Z n S n O3 Y H a y a s h i e t a l i n t h e i r e x p e r i m e n t a l p r o c e s s u s e d a n o p p o s e d t a r g e t s p u t t e r i n g s y s t e m t o d e p o s i t Z n O S n O2 f i l m s ( Z n O S n O2: S b t a r g e t d o p e d w i t h 3 w t % S b2O5 f a c i n g e a c h o t h e r ) a t a s p u t t e r i n g p r e s s u r e o f 1 m T i n p u r e A r a m b i e n c e f o r 2 h o u r s Ts u b ( s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ) w e r e 1 5 0 a n d 2 5 0oC T h e c u r r e n t r a t i o = Iz n/ ( Iz n+ Is n) w a s v a r i e d a s a p a r a m e t e r o f d e p o s i t i o n F o r 0 0 5 Is n w a s f i x e d a t 8 0 m A a n d Iz n w a s v a r i e d f r o m 0 t o 8 0 m A F o r 0 5 1 Iz n w a s f i x e d a t 8 0 m A a n d Is n w a s v a r i e d f r o m 8 0 m A t o 0 T h e c o m p o s i t i o n a l v a l u e

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2 5 i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g b u t w a s s l i g h t l y s m a l l e r t h a n t h e v a l u e o f Z n / S n = 2 : 1 Z n / S n = 1 : 1 c o r r e s p o n d s t o = 0 7 3 a n d 0 6 2 F i g u r e 2 8 ( a ) X R D o f Z T O F i l m A s D e p o s i t e d a t 2 5 0oC a s a F u n c t i o n o f ( b ) R e s i s t i v i t i e s o f F i l m a s a F u n c t i o n o f [ 1 5 ] T h e a m o r p h o u s t r a n s p a r e n t f i l m s a p p e a r e d f o r Z n / ( Z n + S n ) = 0 2 8 0 7 6 a t Ts= 1 5 0oC i n Z n / ( Z n + S n ) o f 0 3 2 0 6 6 a t T s = 2 5 0oC T h e p r e s e n c e o f b o t h a m o r p h o u s S n O2 a n d Z n S n O3 c o u l d h a v e a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e r e d u c t i o n o f r e s i s t i v i t y T h e p r e s e n c e o f b o t h a m o r p h o u s Z n O a n d Z n S n O3 i n d u c e d a n i n c r e a s e d i n r e s i s t i v i t y T h i s a m o r p h o u s f i l m s e x h i b i t m i n i m u m r e s i s t i v i t y a t Z n / ( Z n + S n ) o f 0 3 3 (= 0 5 ) T s = 2 5 0oC w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e f i l m i s c o m p o s e d o f a m i x t u r e o f a m o r p h o u s Z n S n O3 a n d S n O2. C o u t t s e t a l i n t h e i r s t u d y c o n c l u d e d t h a t c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n s w e r e m u c h l o w e r f o r Z T O f i l m s A n n e a l i n g t h e f i l m s i n a i r c a u s e s t h e c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n s t o d e c r e a s e s u b s t a n t i a l l y s u g g e s t i n g t h a t O2 v a c a n c i e s m a y b e t h e s o u r c e o f c a r r i e r s M o r i g a e t a l c o m p a r e d s a m p l e s d e p o s i t e d a t A r a n d A r / O2 a n d f o u n d t h a t f i l m s d e p o s i t e d i n p r e s e n c e o f O2 h a d 2 3 t i m e s h i g h e r r e s i t i v i t i e s d u e t o l o w e r c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n s O2 v a c a n c i e s w e r e a s o u r c e o f c o n d u c t i o n c a r r i e r s i n a m o r p h o u s Z n S n O f i l m s T h e r e i s l i n e a r d e c r e a s e i n c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n s w i t h i n c r e a s i n g Z n c o n t e n t A l s o

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2 6 c r y s t a l l i n e Z n2S n O4 w a s f o u n d t o b e m o r e c o n d u c t i v e w h e n c o m p a r e d t o a m o r p h o u s Z T O 2 3 E f f e c t o f C d C l2 A n n e a l i n g P o s t d e p o s i t i o n h e a t t r e a t m e n t o f C d T e / C d S i n t h e p r e s e n c e o f C d C l2 i n c r e a s i n g t h e g r a i n s i z e o f C d T e I t a l s o i m p r o v e s t h e j u n c t i o n b y e n h a n c i n g i n t e r d i f f u s i o n b e t w e e n t h e s e m i c o n d u c t o r s l e a d i n g t o t h e f o r m a t i o n o f a n a l l o y e d C d T exSl x/ C d SyT el y i n t e r f a c e W h e r e x a n d y a r e l e s s t h a n o r e q u a l t o t h e s o l u b i l i t y l i m i t s a t a b o u t 4 0 0 C ( x ~ 0 0 3 a n d y ~ 0 0 6 ) a s s h o w n i n f i g u r e 2 1 6 [ 2 4 ] C d C l2 t r e a t m e n t a l s o i m p r o v e s t h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e o f a s o l a r c e l l A l a t t i c e m i s m a t c h e x i s t s i n t h e C d S / C d T e h e t e r o j u n c t i o n L a t t i c e m i s m a t c h c a n o c c u r i n h e t e r o j u n c t i o n s a s w e l l a s i n p o l y c r y s t a l l i n e g r a i n b o u n d a r i e s I t b e c o m e s m o r e c r i t i c a l f o r t h e c e l l p e r f o r m a n c e w h e n l a t t i c e m i s m a t c h i s p r e s e n t i n h e t e r o j u n c t i o n s r a t h e r t h a n i n g r a i n b o u n d a r i e s T h e C d C l2 t r e a t m e n t h e l p s t o b u i l d a n i n t e r f a c i a l l a y e r a t t h e j u n c t i o n a n d r e d u c e s l a t t i c e m i s m a t c h T h i s i n t e r d i f f u s i o n p r o c e s s i s c o n s i d e r e d r e s u l t i n g i n S r i c h s p i k e s a l o n g t h e g r a i n b o u n d a r i e s T h i s S r i c h m a t e r i a l i s l i k e l y t o b e n t y p e a n d c o u l d l e a d t o e n h a n c e e l e c t r o n c o l l e c t i o n f r o m t h e C d T e T h e e f f e c t o f i n t e r d i f f u s i o n o f C d T e i n t o C d S i s t o c u r t a i l t h e s p e c t r a l r e s p o n s e a t l o w w a v e l e n g t h s () b y r e d u c i n g t h e w i n d o w t r a n s m i s s i o n O n t h e o t h e r h a n d i n c o r p o r a t i o n o f s o m e C d S i n t o t h e C d T e e x t e n d s t h e s p e c t r a l r e s p o n s e t o l o n g e r w a v e l e n g t h s [ 1 1 ] [ 2 4 ] L a r g e r g r a i n f i l m s ( o n t h e o r d e r o f 1 m o r l a r g e r ) d o n o t u n d e r g o a g r a i n e n h a n c e m e n t R a t h e r e l i m i n a t i o n o f s m a l l e r g r a i n s i n s u c h f i l m s i s o b s e r v e d [ 1 6 ] S E M ( S c a n n i n g E l e c t r o n M i c r o s c o p e ) m e a s u r e m e n t s w e r e c a r r i e d o u t t o d e t e r m i n e t h e s u r f a c e m o r p h o l o g y o f t h e f i l m s

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2 7 F i g u r e 2 9 I n t e r d i f f u s i o n R e l a t e d I n t e r f a c e s i n C d S / C d T e C e l l S t r u c t u r e [ 2 4 ] F i g u r e 2 1 7 s h o w s t h e i m p a c t o f C d C l2 o n t h e m o r p h o l o g y i n t h e C d T e f i l m s T h e g r a i n s i z e i n c r e a s e s d r a s t i c a l l y w i t h C d C l2 t r e a t m e n t G r a i n s i z e i n c r e a s e d f r o m 0 1 t o m o r e t h a n 1 m f o r a 5 w t % C d C l2 f i l m s [ 2 5 ] F i g u r e 2 1 0 S E M M i c r o g r a p h s o f C d T e F i l m B e f o r e a n d A f t e r a C d C l2 T r e a t m e n t [ 2 5 ] 2 4 C d T e D e p o s i t i o n T e m p e r a t u r e E f f e c t S u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p a r a m e t e r s t h a t d e t e r m i n e s n o t o n l y t h e d e p o s i t i o n r a t e b u t a l s o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e e l e c t r i c a l j u n c t i o n f o r m e d a t t h e C d S / C d T e i n t e r f a c e I t h a s b e e n f o u n d t h a t C d T e d e p o s i t e d a t h i g h s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s e x h i b i t s b e t t e r p e r f o r m a n c e [ 2 8 ] T h e d e p o s i t i o n r a t e i s g r e a t l y i n c r e a s e d a t h i g h e r

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2 8 s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s A n i n c r e a s e i n s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a l s o l e a d s t o a d e c r e a s e i n t h e r e s i s t i v i t y o f t h e C d T e f i l m I t i s c o n c l u d e d t h a t m o s t o f t h e s i g n i f i c a n t v a r i a t i o n o f r e s i s t i v i t y i s d u e t o t h e o x y g e n p a r t i a l p r e s s u r e d u r i n g t h e C d T e d e p o s i t i o n A l l t h e s e f a c t o r s c o m b i n e t o i n c r e a s e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e d e v i c e

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2 9 C H A P T E R 3 E X P E R I M E N T A L M E T H O D S 3 1 C e l l S t r u c t u r e T h e C d S / C d T e s o l a r c e l l i s t y p i c a l l y m a d e i n t h e s u p e r s t r a t e c o n f i g u r a t i o n s h o w n i n f i g u r e 3 1 ( a ) w i t h S n O2: F / C d S / C d T e s t r u c t u r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e T h e Z T O d e v i c e i s s h o w n i n f i g u r e 3 1 ( b ) Z i n c S t a n n a t e i s i n t e g r a t e d b e t w e e n C d S a n d C d T e l a y e r T h e d e p o s i t i o n p r o c e s s o f t h e e a c h l a y e r i s d i s c u s s e d i n c o n s e q u e n t s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r T h e l a y e r t h i c k n e s s u s e d t o f a b r i c a t e t h e s e s t r u c t u r e s i s m e n t i o n e d i n t h e f i g u r e T h e r e s u l t s o f t h i s i n t e g r a t e d S n O2: F / Z T O / C d S / C d T e d e v i c e a r e d i s c u s s e d i n t h e c h a p t e r 4 F i g u r e 3 1 ( a ) C d S / C d T e D e v i c e S t r u c t u r e ( b ) Z T O D e v i c e S t r u c t u r e S u b s t r a t e s u s e d a r e 7 0 5 9 c o r n i n g g l a s s ( 1 2 5 ” X 1 4 5 ” X 0 0 3 2 ” ) T h e s e s u b s t r a t e s a r e c l e a n e d i n a 1 0 % b y v o l u m e H F s o l u t i o n f o l l o w e d b y a t h r o u g h r i n s e i n d e i o n i z e d w a t e r ( D I w a t e r ) f o l l o w e d b y d r y i n g w i t h c o m p r e s s e d N2. 7 0 5 9 G l a s s s u b s t r a t e S n O 2 : F Z T O ( 0 0 2 5 0 3 m ) C d T e ( 5 m ) B a c k c o n t a c t I n C d S ( 0 0 7 0 1 m ) 7 0 5 9 G l a s s s u b s t r a t e S n O2: F / S n O2 C d S ( 0 0 7 0 1 m ) I n B a c k c o n t a c t C d T e ( 5 m ) L i g h t L i g h t

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3 0 3 2 C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n ( C V D ) o f S n O2 T h e p r o c e s s o f C V D i s s i m p l y d e s c r i b e d a s t h e u s e o f c h e m i c a l r e a c t i o n s t o c r e a t e f r e e p r o d u c t s p e c i e s w h i c h c o n d e n s e t o f o r m t h i n f i l m s o n a s u b s t r a t e T h e s e c h e m i c a l r e a c t i o n s c a n b e s i m p l e p y r o l y t i c p r o c e s s e s T h e r e a r e t w o t y p e s o f C V D : ( a ) H o m o g e n e o u s w h e r e r e a c t i o n s t a k e s p l a c e a s a r e s u l t o f r a n d o m c o l l i s i o n b e t w e e n m o l e c u l e s i n t h e g a s p h a s e ; ( b ) H e t e r o g e n e o u s w h e r e r e a c t i o n s o c c u r p r e d o m i n a n t l y o n a h e a t e d s u b s t r a t e S u b s t r a t e t e m p e r a t u r e g a s f l o w r a t e s r e a c t o r g e o m e t r y a n d g a s v i s c o s i t y a l l a f f e c t t h e t r a n s p o r t i n t h e b o u n d a r y l a y e r ( b o u n d a r y l a y e r i s s t a g n a n t l a y e r d u e t o v i s c o s i t y T h e v e l o c i t y o f g a s j u s t o n t h e s u r f a c e i s z e r o a n d i n c r e a s e s s t e a d i l y a s w e m o v e a w a y D i s t a n c e b e t w e e n s u r f a c e a n d u n i f o r m v e l o c i t y r e g i o n i s c a l l e d b o u n d a r y l a y e r [ 2 2 ] ) a n d s o i n f l u e n c e t h e s t r u c t u r e a n d c o m p o s i t i o n o f t h e d e p o s i t e d f i l m [ 3 ] F i g u r e 3 2 s h o w s t h e s c h e m a t i c o f t h e C V D o f S n O2. T h e c h e m i c a l r e a c t i o n i s a s f o l l o w s : S n ( C H3)4 ( v a p o r ) + 1 4 O2 ( g a s ) S n O2 ( s o l i d ) + 4 C O2 ( g a s ) + 6 H2O( g a s ) F i g u r e 3 2 S c h e m a t i c D i a g r a m o f C V D R e a c t o r U s e d t o D e p o s i t S n O2 D opan t O x Y gen H e a t e r H e a t e r E x h a u s t M a s s F l o w S u b s t r a t e h o l d e r A B C D C a r r I e r g a s

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3 1 T i n O x i d e ( S n O2) d o p e d w i t h F i s t h e T C O i n t h i s w o r k w i t h s h e e t r o f 7 1 0 n/ f o r a t h i c k n e s s o f 0 6 m S n O2 i s d e p o s i t e d b y M O C V D o n c o r n i n g 7 0 5 9 g l a s s i n a R F h e a t e d s y s t e m S n O2 i s f o r m e d b y t h e r e a c t i o n b e t w e e n t e t r a m e t h y l t i n ( T M T ) a n d O2 a t 4 5 0oC H e l i u m i s u s e d a s t h e c a r r i e r g a s f o r T M T t r a n s p o r t 3 3 S p u t t e r i n g o f Z T O Z T O f i l m s a r e d e p o s i t e d b y R F m a g n e t r o n c o s p u t t e r i n g f r o m Z n O ( T a r g e t M a t e r i a l s 9 9 9 9 % ) a n d S n O2 ( P l a s m a M a t e r i a l s 9 9 9 9 % ) S p u t t e r i n g s o u r c e s a r e p l a c e d a t a n g l e o f 4 0o w i t h t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e h o l d e r T h e s p u t t e r a m b i e n t w a s 1 0 0 % A r o r A r w i t h 2 5 % O2 w i t h t h e t o t a l p r e s s u r e t o b e 2 m T w i t h b a s e l i n e p r e s s u r e o f 1 06T T h e f i l m s a r e d e p o s i t e d b o t h i n r o o m t e m p e r a t u r e a n d a t 4 0 0oC T h e s u b s t r a t e h o l d e r i s r o t a t e d t o o b t a i n u n i f o r m d e p o s i t i o n o f t h e f i l m T h e d e p o s i t i o n r a t e s o n e a c h o x i d e s i d e w e r e v a r i e d b y u s i n g t h e t o o l i n g f e a t u r e i n t h e t h i c k n e s s m o n i t o r t o d e p o s i t f i l m s o f d i f f e r e n t Z n / S n r a t i o s T h e s c h e m a t i c o f t h e s p u t t e r i n g p r o c e s s i s s h o w n i n f i g u r e 3 3 F i g u r e 3 3 P o s i t i o n o f S p u t t e r i n g S o u r c e s a n d S u b s t r a t e H o l d e r T h e s e f i l m s a r e f u r t h e r h e a t t r e a t e d i n s i m p l e q u a r t z t u b e w h i c h h a s a v a c u u m o u t l e t a n d g a s i n l e t S a m p l e s a r e p l a c e d o n g r a p h i t e h o l d e r s a n d h e a t e d b y t w o h a l o g e n

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3 2 l a m p s ( 2 K W ) o n e o n t o p a n d o n e a t t h e b o t t o m T h e f i l m s w e r e a n n e a l e d i n H e o r H e w i t h p a r t i a l O2 a m b i e n t a t h i g h t e m p e r a t u r e s ( 5 5 0 6 0 0oC ) f o r v a r i o u s i n t e r v a l o f t i m e S i n c e a s d e p o s i t e d f i l m s a r e a m o r p h o u s h e a t t r e a t m e n t i s r e q u i r e d t o m a k e f i l m c r y s t a l l i n e ( d i s c u s s e d i n c h a p t e r 4 ) 3 4 C h e m i c a l B a t h D e p o s i t i o n C B D o f C d S P o l y c r y s t a l l i n e C d S f i l m s a r e d e p o s i t e d o n t o t h e Z T O / S n O2: F / g l a s s s u b s t r a t e s b y C B D p r o c e s s I n t h i s e l e c t r o l e s s d e p o s i t i o n c a d m i u m a c e t a t e ( C d ( C H3C O O )2. 2 H2O ) o f 0 1 7 8 7 8 M i s t h e s o u r c e o f c a d m i u m a n d t h i o u r e a ( C H4N2S ) i s t h e s o u r c e o f s u l p h u r O t h e r c h e m i c a l s u s e d a r e b u f f e r i n g a g e n t a m m o n i u m a c e t a t e ( C H3C O O N H4) o f 5 9 5 M a n d a b a s e a m m o n i u m h y d r o x i d e ( N H4O H ) T h e a b o v e c h e m i c a l s a r e a d d e d i n t o a 6 0 0 m l o f w a t e r c o n t a i n i n g b e a k e r s a t r e g u l a r i n t e r v a l s o f t i m e T h e S o l u t i o n i s m a i n t a i n e d a t c o n s t a n t t e m p e r a t u r e o f 8 5oC ; U n d e r t h i s c o n d i t i o n s a d e p o s i t i o n t i m e o f 9 0 m i n u t e s r e s u l t s i n t o t a l t h i c k n e s s o f 0 1 m A f t e r t h e d e p o s i t i o n t h e s a m p l e s a r e c l e a n e d u l t r a s o n i c a l l y r i n s e d w i t h D I w a t e r a n d b l o w n d r y w i t h N2. T h e s e r i e s o f r e a c t i o n s i n t h e f o r m a t i o n o f C d S a r e a s f o l l o w s [ 5 ] : C d ( C H3C O O )2 C d2+ + 2 C H3C O ON H3+ H O H N H4 + + O HC d ( N H3)4 2 + + 2 O H[ C d ( O H )2( N H3 ) 2] + O H[ C d ( O H )2( N H3 ) 2]+ + S C ( N H2)2 [ C d ( O H ) 2 ( N H3) 2 S C ( N H2)2 ] [ C d ( O H ) 2 ( N H3) 2 S C ( N H2) 2 ] C d S( s ) + C N3H 5 + N H3+ 2 H O H F i g u r e 3 4 s h o w s t h e s c h e m a t i c o f t h e C B D s e t u p

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3 3 F i g u r e 3 4 E x p e r i m e n t a l S e t u p f o r C B D P r o c e s s 3 5 C l o s e S p a c e d S u b l i m a t i o n C S S o f C d T e T h e C d T e a b s o r b e r l a y e r i s d e p o s i t e d b y t h e C S S t e c h n i q u e w h i c h c a n b e c a r r i e d o u t i n a s i m p l e d e p o s i t i o n a p p a r a t u s w i t h h i g h t r a n s p o r t e f f i c i e n c y u n d e r l o w v a c u u m c o n d i t i o n s a n d a t m o d e r a t e t e m p e r a t u r e s [ 6 ] T h e s o u r c e a n d s u b s t r a t e a r e p l a c e d 2 m m a p a r t t h e y a r e h e a t e d b y 2 K W h a l o g e n l a m p s T h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s h o u l d b e l e s s t h a n t h a t o f s o u r c e i n o r d e r t o C d T e t o s u b l i m e o n t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e B e f o r e d e p o s i t i o n C d S / Z T O / S n O2: F / g l a s s s u b s t r a t e s a r e a n n e a l e d i n H2 a t 3 9 0oC f o r 1 0 m i n u t e s T h e s o u r c e i s m a d e b y s u b l i m a t i o n o f C d T e c h u n k s o n p l a n e g l a s s s a m e s i z e a s t h a t o f s u b s t r a t e T y p i c a l l y s o u r c e a n d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e m a i n t a i n e d d u r i n g t h e p r o c e s s a r e 6 8 0oC a n d 5 8 0oC r e s p e c t i v e l y S u b l i m a t i o n i s l i m i t e d b y d i f f u s i o n G r o w t h r a t e w a s a b o u t 1m / m i n w i t h t o t a l t h i c k n e s s o f 3 t o 5 m a n d i s d e p e n d e n t o n p r e s s u r e a n d a m b i e n t o f d e p o s i t i o n T h e d e p o s i t e d C d T e w a s p o l y c r y s t a l l i n e a n d a d h e r e n t t o s u b s t r a t e T h e s c h e m a t i c o f C S S C d T e i s s h o w n i n f i g u r e 3 5 D u r i n g t h i s h i g h p r o c e s s i n g t e m p e r a t u r e C d S a n d C d T e i n t e r d i f f u s e s t o f o r m C dxS1 xT e l a y e r T h i s l a y e r i m p r o v e s t h e d e v i c e e l e c t r i c a l p h o t o v o l t a i c p r o p e r t i e s b y

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3 4 s h i f t i n g t h e e l e c t r i c a l j u n c t i o n a w a y f r o m t h e m e t a l l u r g i c a l j u n c t i o n T h e d e g r e e o f i n t e r d i f f u s i o n d e p e n d s o n t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d r a t e o f d e p o s i t i o n [ 1 6 ] F i g u r e 3 5 C S S C d T e P r o c e s s S e t u p 3 6 C a d m i u m C h l o r i d e P r o c e s s T h e C d T e / C d S / Z T O / S n O2: F / g l a s s s u b s t r a t e s a r e C d C l2 t r e a t e d b e f o r e b a c k c o n t a c t i n g T h e s a m p l e s w e r e p l a c e d o n t o p o f a h o l l o w c y l i n d r i c a l g l a s s h o l d e r a b o u t 1 5 c m a b o v e t h e b o a t T h e w h o l e s e t u p w a s p l a c e d i n s i d e a b e l l j a r T h e b e l l j a r w a s p u m p e d d o w n t o 1 04T T h e b o a t c o n t a i n i n g t h e C d C l2 p e l l e t s w a s h e a t e d b y p a s s i n g e l e c t r i c c u r r e n t t h r o u g h t h e c o p p e r e l e c t r o d e s T h i c k n e s s o f t h e C d C l2 e v a p o r a t e d i s 8 0 0 0 T h e C d C l2 t r e a t e d s u b s t r a t e s a r e f u r t h e r h e a t t r e a t e d i n H e / O2 f l o w a t 3 9 0 4 2 0oC f o r v a r i o u s t i m e i n t e r v a l s E x c e s s C d C l2 w a s r i n s e d a w a y b y u s i n g m e t h a n o l s a m p l e s a r e f u r t h e r e t c h e d i n M e O H : B r2 s o l u t i o n f o r b a c k c o n t a c t a p p l i c a t i o n 3 7 B a c k C o n t a c t F o r m a t i o n A f t e r C d C l2 h e a t t r e a t m e n t s a m p l e s a r e b a c k c o n t a c t t r e a t e d w i t h g r a p h i t e p a s t e d o p e d w i t h H g T e : C u T h e y a r e k e p t a s i d e f o r 5 h o u r s l a t e r t h e y a r e h e a t t r e a t e d i n H e f o r 2 5 m i n a t 2 7 0oC S u b s e q u e n t l y t h e c e l l s a r e i s o l a t e d a n d t h e s i l v e r p a s t e i s a p p l i e d w h i c h f i n i s h e s t h e p r o c e s s o f m e t a l l i z a t i o n

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3 5 3 8 S o l a r C e l l M e a s u r e m e n t s I V m e a s u r e m e n t s : I V m e a s u r e m e n t s w e r e d o n e u s i n g a n A M 1 5 S o l a r S i m u l a t o r 3 0 0 W p h o t o o p t i c l a m p s w e r e u s e d a s t h e s o u r c e o f l i g h t C o p p e r p r o b e s w e r e u s e d a s t h e c o n t a c t f o r t h e f r o n t a n d b a c k c o n t a c t ( S n O2 a n d G r a p h i t e ) o f t h e s o l a r c e l l D e v i c e p a r a m e t e r s w e r e m e a s u r e d b y b i a s i n g e a c h s o l a r c e l l f r o m a n e g a t i v e t o p o s i t i v e ( 2 t o + 2 V n o r m a l l y ) v o l t a g e a f t e r t u r n i n g o n t h e l a m p s S h o r t C i r c u i t C u r r e n t ( Js c) w a s c a l c u l a t e d b y d i v i d i n g t h e c u r r e n t g e n e r a t e d b y t h e a r e a o f t h e d e v i c e I V c u r v e s w e r e d r a w n b y p l o t t i n g t h e v o l t a g e a g a i n s t t h e s h o r t c i r c u i t c u r r e n t S p e c t r a l r e s p o n s e : S p e c t r a l R e s p o n s e m e a s u r e m e n t s w e r e d o n e u s i n g a n O r i e l S p e c t r o p h o t o m e t e r Q u a n t u m e f f i c i e n c y i s t h e m e a s u r e o f h o w e f f i c i e n t l y a d e v i c e c o n v e r t s t h e i n c o m i n g p h o t o n s t o c h a r g e c a r r i e r s T h e q u a n t u m e f f i c i e n c y o f e a c h c e l l w a s m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f t h e w a v e l e n g t h o f t h e i n c i d e n t l i g h t T h e s p e c t r a l r e s p o n s e s e t u p u s e s a 4 0 0 W t u n g s t e n h a l o g e n l a m p a s t h e l i g h t s o u r c e C o p p e r p r o b e s w e r e u s e d a s c o n t a c t f o r t h e s o l a r c e l l s t o m e a s u r e t h e g e n e r a t e d c u r r e n t f r o m t h e b a c k c o n t a c t T h e m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d w i t h t h e h e l p o f a c o m p u t e r w h i c h u s e s L a b V I E W s o f t w a r e p r o g r a m t o c o n t r o l t h e m o n o c h r o m a t o r T h e p r o c e d u r e w a s r u n i n v i s i b l e r e g i o n o f w a v e l e n g t h Q u a n t u m e f f i c i e n c y a n d c u r r e n t g e n e r a t e d w e r e c a l c u l a t e d u s i n g a p r e d e f i n e d s p r e a d s h e e t T h e s p e c t r a l r e s p o n s e w a s o b t a i n e d b y p l o t t i n g t h e w a v e l e n g t h a g a i n s t t h e q u a n t u m e f f i c i e n c y R e s i s t i v i t y : R e s i s t i v i t y o f t h e s a m p l e s a r e m e a s u r e d b y 4 p o i n t p r o b e i n s t r u m e n t s o u r c e i s K e i t h l e y 9 2 0 e q u i p m e n t s e t u p C r y s t a l l a n i t y : T h e s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s o f Z T O a r e c h a r a c t e r i z e d b y X R a y D i f f r a c t i o n M o l e c u l a r a t o m i c c o m p o s i t i o n o r s t o i c h i o m e t r y w a s d e t e r m i n e d t h r o u g h E D S u s i n g E n e r g y D i s p e r s i v e S p e c t r o s c o p y A F M : T h e s u r f a c e t o p o g r a p h y a n d t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e f i l m s w e r e s t u d i e d u s i n g a n A t o m i c F o r c e M i c r o s c o p e

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3 6 C H A P T E R 4 R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N I n t h i s C h a p t e r t h e p r o p e r t i e s o f Z T O d e p o s i t e d b y R F m a g n e t r o n c o s p u t t e r i n g a t r o o m t e m p e r a t u r e a n d a t 4 0 0 C a r e e x p l o r e d R e s u l t s o f t h e m o d i f i e d S n O2: F / Z T O / C d S / C d T e c e l l s p r o c e s s e d u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s a r e a l s o d i s c u s s e d 4 1 P r o p e r t i e s o f R F C o S p u t t e r e d Z T O F i l m s I n t h i s s e c t i o n o p t i c a l e l e c t r i c a l a n d s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s o f Z T O a r e s t u d i e d I n i t i a l l y t h e s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s a r e e x p l o r e d l a t e r e l e c t r i c a l a n d o p t i c a l p r o p e r t i e s a r e d i s c u s s e d S t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s a r e m e a s u r e d u s i n g A F M a n d X R D R e s i s t i v i t y i s m e a s u r e d u s i n g 4 p o i n t p r o b e a s d i s c u s s e d i n p r e v i o u s c h a p t e r T h i s t h e s i s i s f o c u s e d o n d e v i c e r e s u l t s a n d o n l y a l i m i t e d n u m b e r o f Z T O f i l m s w e r e a n a l y z e d H e r e a r e t h e r e s u l t s o f t h e a n a l y z e d f i l m s : 4 1 1 A F M A n a l y s i s Z T O t h i n f i l m s w e r e g r o w n b y R F m a g n e t r o n c o s p u t t e r i n g o f Z n O a n d S n O2 t a r g e t s i n A r a m b i e n t o n t o g l a s s s u b s t r a t e s a t 4 0 0oC T h e p o s t d e p o s i t i o n a n n e a l i n g w a s u s e d a s a m e a n s t o i m p r o v e c r y s t a l l a n i t y a n d f i l m g r o w t h T h e t h i c k n e s s o f Z T O f i l m s w a s 2 0 0 0 T h e r e w a s a s i g n i f i c a n t i n c r e a s e i n t h e g r a i n s i z e o f t h e f i l m a f t e r a n n e a l i n g a t 6 0 0oC f o r 2 0 m i n u t e s i n H e i n e r t a m b i e n t T h e s m a l l g r a i n s w h i c h a p p e a r e d b e f o r e a n n e a l i n g g r e w t o g e t h e r d u r i n g t h e a n n e a l i n g p r o c e s s t o f o r m s i g n i f i c a n t l y b i g g r a i n s T h e f i l m m o r p h o l o g y o f a s d e p o s i t e d a n d a n n e a l e d f i l m s a r e s h o w n i n f i g u r e 4 1 a n d 4 2 r e s p e c t i v e l y T h e r o u g h n e s s o f t h e f i l m s i n c r e a s e d f r o m 4 3 2 7 t o 4 7 3 6 n m a f t e r a n n e a l i n g W e c o u l d a l s o s e e t h e r e i s a n i n c r e a s e i n g r a i n s i z e i n t h e f i l m

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3 7 T h i s i n c r e a s e d g r a i n s i z e i s e x p e c t e d t o m i n i m i z e t h e g r a i n b o u n d a r y d e f e c t s w h i c h h e l p s i n b e t t e r i n t e r m i x i n g o f t h e Z i n c S t a n n a t e w i t h C d S F i g u r e 4 1 ( a ) A F M I m a g e o f Z T O w i t h 2 0 0 0 T h i c k A s D e p o s i t e d a t 4 0 0oC A r A m b i e n t F i g u r e 4 1 ( b ) A F M I m a g e o f Z T O A s D e p o s i t e d a t 4 0 0oC A n n e a l e d a t 6 0 0oC i n H e f o r 2 0 M i n u t e s n m n m 4 0 4 0

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38 4.1.2 XRD Analysis of ZTO Films 4.1.2.1 XRD Analysis of As-Deposited and Annealed Zn2SnO4 Films Figure 4.2 shows the XRD patterns of ZTO with Zn/Sn ratio of 2.0 deposited at room temperature in Ar ambient. The as-deposited films had no Zn2SnO4 peaks, implying that the films were amorphous. The same films after annealing in He ambient for 20 min at 600oC (as shown in figure 4.3), showed small peaks of Zn2SnO4 with a dominant peak in the [311] direction. Therefore as-deposited ZTO with Zn/Sn ratio 2.0 is amorphous and becomes polycrystalline when annealed at 600oC for 20 min in He ambient. The SnO2 peaks present in these XRD patterns are from the underlying SnO2 layer. Additional data for different annealing temperatures are shown in AppendixB. 0 40 80 120 160 200 240 280 2025303540455055606570 Figure 4.2 XRD Pattern of As-Deposited and RT Deposited Zn2SnO4 (2000) Films Figure 4.3 XRD Pattern of Zn2SnO4 Film Deposited at RT, Further Annealed at 600oC for 20min in He Ambient. (To Make the Spectrum more Legible SnO2 [110](max counts 800cm) Peaks is eliminated from Figure 4.2 and 4.3) 0 40 80 120 160 200 280 2025303540455055606570SnO2 [220] SnO2 [211] Zn2SnO4 [311] Zn2SnO4 [222] Zn2SnO4 [220] Zn2SnO4 [440] SnO2 [211] SnO2 [220] SnO2 [211] SnO2 [211] Position [ o 2Theta] Position [ o 2Theta] Intensity [cps] Intensity [cps]

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3 9 4 1 2 2 X R D f o r D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s C o d e p o s i t i o n o f Z n O a n d S n O2 a l l o w s f o r v a r i a t i o n s i n t h e s t o i c h i o m e t r i c c o m p o s i t i o n o f Z T O f i l m s T h e Z n / S n r a t i o c a n b e v a r i e d b y c o n t r o l l i n g t h e d e p o s i t i o n r a t e s o f Z n O a n d S n O2. Z n / S n r a t i o w a s v a r i e d f r o m 1 5 t o 2 5 i n s t e p s o f 0 5 F i g u r e s 4 4 4 5 a n d 4 6 s h o w t h e X R D f o r t h r e e r a t i o s 1 5 2 0 2 5 r e s p e c t i v e l y T h e s e f i l m s w e r e d e p o s i t e d a t R T a n d a n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 m i n u t e s 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 F i g u r e 4 4 X R D P a t t e r n f o r Z T O F i l m w i t h Z n / S n R a t i o o f 1 5 D e p o s i t e d a t R T a n d A n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 M i n u t e s 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 F i g u r e 4 5 X R D P a t t e r n f o r Z T O F i l m w i t h Z n / S n R a t i o o f 2 0 D e p o s i t e d a t R T a n d A n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 M i n u t e s S n O2 [ 2 1 1 ] S n O2 [ 2 2 0 ] S n O2 [ 3 0 1 ] S n O2 [ 1 1 0 ] P o s i t i o n [ o 2 T h e t a ] Z n2S n O4 [ 3 1 1 ] Z n2S n O4 [ 2 2 2 ] Z n2S n O4 [ 2 2 0 ] Z n2S n O4 [ 4 4 0 ] S n O2 [ 2 1 1 ] S n O2 [ 2 2 0 ] P o s i t i o n [ o 2 T h e t a ] S n O2 [ 1 1 0 ] I n t e n s i t y [ c p s ] I n t e n s i t y [ c p s ]

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4 0 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 F i g u r e 4 6 X R D P a t t e r n f o r Z T O F i l m w i t h Z n / S n r a t i o o f 2 5 D e p o s i t e d a t R T a n d A n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 M i n u t e s N o Z T O p e a k a p p e a r e d f o r Z n / S n r a t i o o f 1 5 ( i n f i g 4 4 ) C o m p a r i n g t h e S n O2: F X R D d a t a o f U m a B a l a s u b r a m a n i a n [ 1 3 ] w i t h t h e X R D p a t t e r n i n f i g u r e 4 4 w e c a n o b s e r v e t h a t a a d d i t i o n a l S n O2 p e a k a p p e a r e d a t a n g l e 2= 6 5 9 5o f o r Z n / S n r a t i o o f 1 5 i n d i c a t i n g t h e p r e s e n c e o f a n a m o r p h o u s p h a s e o f Z T O i n Z n p o o r s a m p l e s A s t h e Z n c o n t e n t i n t h e f i l m s w a s i n c r e a s e d f r o m 1 5 t o 2 0 ( i n f i g 4 5 ) s m a l l p e a k s o f Z n2S n O4 a p p e a r e d a t 2= 3 0 3 7o, 3 4 3 7o, 3 5 9 7o, a n d 6 0 4 7o. A s t h e Z n / S n r a t i o i n t h e f i l m s w a s f u r t h e r i n c r e a s e d t o 2 5 ( a s i n f i g u r e 4 6 ) a Z n S n O3 p e a k a p p e a r e d a t a n g l e 2= 3 8 0 1o a n d 6 0 5 3o a l o n g w i t h Z n2S n O4 a n d S n O2 a t 3 4 3 7 a n d 6 6 0 5o r e s p e c t i v e l y T h e r e f o r e t h e Z n p o o r s a m p l e s a r e m o r e a m o r p h o u s T h e s e f i l m s s h o w e d o n l y S n O2 p e a k s ( t h i s S n O2 i s f r o m Z T O ) N o Z n O p e a k s o r a n y o t h e r p h a s e s o f Z T O w e r e o b s e r v e d A s t h e Z n c o n t e n t w a s i n c r e a s e d f r o m 1 5 t o 2 0 t h e X R D p a t t e r n s h o w e d t h e p r e s e n c e o f t h e Z n2S n O4 p h a s e o f Z T O i n d i c a t i n g t h e f i l m w a s m o r e p o l y c r y s t a l l i n e t h a n a m o r p h o u s A s t h e Z n c o n t e n t w a s f u r t h e r i n c r e a s e d o t h e r p h a s e s o f Z T O l i k e Z n S n O3 w e r e p r e s e n t a l o n g w i t h Z n2S n O4 a n d S n O2. T h i s i s i n d i c a t i v e o f t h e f a c t t h a t i n c r e a s i n g t h e Z n / S n r a t i o m a d e t h e f i l m s m o r e p o l y c r y s t a l l i n e T o m a k e t h e s p e c t r u m m o r e l e g i b l e S n O2 [ 1 1 0 ] ( m a x c o u n t s 8 0 0 ) p e a k h a s b e e n e l i m i n a t e d f r o m f i g u r e s 4 4 4 5 a n d 4 6 P o s i t i o n [ o 2 T h e t a ] Z n S n O3 [ 0 2 7 ] S n O2 [ 3 0 1 ] S n O2 [ 2 1 1 ] S n O2 [ 2 2 0 ] Z n S n O3 [ 0 1 5 ] Z n2S n O4 [ 3 1 1 ] S n O2 [ 1 1 0 ] I n t e n s i t y [ c p s ]

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4 1 4 1 3 E l e c t r i c a l P r o p e r t i e s o f Z i n c S t a n n a t e T h e r e s i s t i v i t y o f t h e Z T O f i l m s p r e p a r e d a t d i f f e r e n t Z n / S n r a t i o s a n d a n n e a l e d a t t e m p e r a t u r e s 5 5 0 5 7 5 a n d 6 0 0 oC a r e d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n ( a ) D e c r e a s e i n r e s i s t i v i t y w i t h a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e T h e r e s i s t i v i t i e s o f t h e f i l m s d e p o s i t e d a t R T w i t h d i f f e r e n t Z n / S n r a t i o s o f ( 1 0 1 5 2 0 2 5 ) a n d a n n e a l e d a t 5 5 0 5 7 5 a n d 6 0 0oC a r e l i s t e d T a b l e 4 1 T h e f i g u r e 4 7 r e p r e s e n t s t h i s v a l u e s T h e v a l u e s s h o w n a r e a v e r a g e f r o m 5 d i f f e r e n t p o i n t s o n t h e 3 x 3 c m2 s u b s t r a t e T a b l e 4 1 S h e e t R e s i s t a n c e a n d R e s i s t i v i t y V a l u e s f o r Z T O 2 0 0 0 D e p o s i t e d a t R T S h e e t R e s i s t a n c e (/) R e s i s t i v i t y (r i n c m ) x 1 02 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e [oC ] / T i m e [ m i n u t e s ] 6 0 0 / 2 0 5 7 5 / 2 0 5 5 0 / 2 0 6 0 0 / 2 0 5 7 5 / 2 0 5 5 0 / 2 0 1 0 7 1 7 4 8 4 4 9 5 1 4 3 4 0 9 6 8 0 9 9 1 5 1 0 2 9 1 3 4 2 3 3 9 7 2 0 5 8 2 6 8 4 6 7 9 4 2 0 1 2 9 4 2 1 0 5 3 6 0 3 2 5 8 8 4 2 1 7 2 0 6 2 5 2 5 3 0 2 6 6 4 3 6 2 4 5 0 6 5 3 2 8 7 2 4 8 1 1 5 2 2 5 6 0 0 / 2 0 m i n 5 7 5 / 2 0 m i n 5 5 0 / 2 0 m i n 0 1 2 3 4 5 6 7 8Z n / S n r a t i o Z T O H T F i g u r e 4 7 Z T O F i l m R e s i s t i v i t y f o r D i f f e r e n t A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s a n d Z n / S n R a t i o s R e s i s t i v i t y 1 02( c m )

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4 2 F r o m t h e f i g u r e 4 7 i t c a n b e s e e n t h a t t h e r e s i s t i v i t y o f Z T O f i l m s d e c r e a s e d w i t h a n i n c r e a s e i n t h e a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e T h i s c o u l d b e d u e t o t h e f a c t t h a t a n n e a l i n g m a d e t h e f i l m s m o r e c r y s t a l l i n e B y a n n e a l i n g l a t t i c e i m p e r f e c t i o n s a r e d e c r e a s e d s o t h a t t h e r e l a x a t i o n t i m e f o r t h e c a r r i e r s i n c r e a s e d A c c o r d i n g S u d h a k a r ’ s t h e s i s Z T O f i l m s a n n e a l e d a t 5 5 0oC w e r e s t i l l a m o r p h o u s a n d t h e f i l m s t a r t e d t o s h o w m o r e c r y s t a l l i n e n a t u r e w h e n t h e a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e w a s i n c r e a s e d t o 5 7 5oC A l s o t h e d e c r e a s e i n r e s i s t i v i t y w i t h a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e f o r Z n / S n r a t i o o f 1 5 i s m o r e p r o m i n e n t T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t f i l m s t h a t a r e p o o r i n Z n w e r e a m o r e a m o r p h o u s a s d i s c u s s e d e a r l i e r T h e r e f o r e i n c r e a s i n g t h e a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e m a d e t h e f i l m s m o r e c o n d u c t i v e ( b ) V a r i a t i o n o f R e s i s t i v i t y w i t h Z n / S n R a t i o T h e c h a n g e i n r e s i s t i v i t y o f Z T O f i l m s w i t h Z n / S n r a t i o i s s h o w n i n f i g u r e 4 7 I t c a n b e o b s e r v e d t h a t i n c r e a s i n g t h e Z n c o n t e n t i n t h e f i l m i n c r e a s e d t h e s h e e t r e s i s t a n c e T h i s c o u l d b e d u e t o t h e p r e s e n c e o f Z n S n O3 a t h i g h Z n / S n r a t i o s a m p l e s f r o m X R D T h i s c a n a l s o b e c o n c l u d e d b a s e d o n t h e l i m i t e d r e s u l t s f r o m t h e X R D o f Z T O d e p o s i t e d o n S n O2. T h e i n c r e a s e i n r e s i s t i v i t y w a s m o r e p r o m i n e n t i n s a m p l e s a n n e a l e d a t 5 5 0oC w h e n c o m p a r e d t o t h o s e a n n e a l e d a t 5 7 5 a n d 6 0 0oC A s d i s c u s s e d e a r l i e r t h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t a t 5 5 0oC t h e s a m p l e s w e r e m o r e a m o r p h o u s a n d i n c r e a s i n g t h e t e m p e r a t u r e t o 5 7 5 a n d 6 0 0oC m a d e t h e f i l m s p o l y c r y s t a l l i n e I t c a n b e t h e r e f o r e c o n c l u d e d t h a t r e s i s t i v i t y o f t h e Z T O f i l m s i n c r e a s e w i t h Z n / S n r a t i o a n d d e c r e a s e w i t h a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e 4 1 4 O p t i c a l C h a r a c t e r i s t i c s a T r a n s m i s s i o n o f Z T O F i l m s f o r V a r y i n g Z n / S n R a t i o T h e Z T O f i l m s w e r e m e a s u r e d f o r t h e i r o p t i c a l t r a n s m i s s i o n i n t h e v i s i b l e r e g i o n T h e p e r c e n t a g e t r a n s m i s s i o n o f Z T O f i l m s w i t h r e s p e c t t o w a v e l e n g t h i s s h o w n i n f i g u r e 4 8 T h e a v e r a g e t r a n s m i s s i o n o f t h e f i l m s d e p o s i t e d a t R T a n d f u r t h e r a n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 m i n u t e s w a s b e t w e e n 9 2 9 3 % F r o m t h e a v e r a g e t r a n s m i s s i o n l i s t e d i n t a b l e 4 2 w e c a n s e e t h a t i n c r e a s i n g t h e Z n t o S n r a t i o f r o m 1 0 t o 2 5 m a d e n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e t o t h e t r a n s m i s s i o n r e s p o n s e

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4 3 T a b l e 4 2 A v e r a g e T r a n s m i s s i o n o f Z T O D e p o s i t e d a t R T A n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 M i n u t e s Z n / S n r a t i o 1 0 1 5 2 0 2 5 A v g t r a n s m i s s i o n ( % ) 9 3 2 3 9 3 4 6 9 2 8 8 9 2 6 2 F i g u r e 4 8 T r a n s m i s s i o n S p e c t r a o f Z T O F i l m w i t h Z n / S n R a t i o o f 1 0 1 5 2 0 a n d 2 5 b T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f Z n2S n O4 F i l m s A n n e a l e d a t D i f f e r e n t T e m p e r a t u r e s T r a n s m i s s i o n r e s p o n s e o f a s d e p o s i t e d Z n2S n O4 f i l m s d e p o s i t e d a t R T a n d f u r t h e r a n n e a l e d a t 5 7 5oC a n d 6 0 0oC a r e s h o w n i n f i g u r e 4 9 I t c a n b e s e e n t h a t a n n e a l i n g t h e Z n2S n O4 f i l m s d i d n o t c h a n g e t h e t r a n s m i s s i o n s i g n i f i c a n t l y T h e a v e r a g e t r a n s m i s s i o n o f t h e s e f i l m s i s s h o w n i n t a b l e 4 3 F i g u r e 4 9 T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f Z n2S n O4 F i l m B e f o r e a n d A f t e r A n n e a l i n g a t 5 7 5 6 0 0oC 2 0 0 0 T h i c k n e s s

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4 4 T a b l e 4 3 A v e r a g e T r a n s m i s s i o n o f Z n2S n O4 F i l m s B e f o r e a n d A f t e r A n n e a l i n g 4 2 C d T e S o l a r C e l l s w i t h Z T O a s B u f f e r L a y e r C d T e / C d S s o l a r c e l l s w e r e f a b r i c a t e d w i t h Z T O a s a b u f f e r l a y e r T h e C d S w a s d e p o s i t e d b y C h e m i c a l B a t h D e p o s i t i o n ; C d T e w a s d e p o s i t e d b y C l o s e S p a c e d S u b l i m a t i o n T h e s e s a m p l e s w e r e t h e n t r e a t e d w i t h C d C l2 a n d t h e g r a p h i t e p a s t e d o p e d w i t h C u a n d H g T e w a s a p p l i e d a s t h e b a c k c o n t a c t P r o c e s s i n g d e t a i l s w e r e i n c l u d e d i n c h a p t e r 3 T h e m o d i f i e d d e v i c e s t r u c t u r e i s s h o w n i n f i g u r e 4 1 0 F i g u r e 4 1 0 D e v i c e S t r u c t u r e o f C d S / C d T e S o l a r C e l l s w i t h Z T O B u f f e r L a y e r I n t h i s s e c t i o n t h e r e s u l t s o f t h e d e v i c e f a b r i c a t e d w i t h Z T O a s b u f f e r l a y e r a r e d i s c u s s e d T h e f o l l o w i n g a r e t h e p a r a m e t e r s u s e d : ( a ) Z T O d e p o s i t e d a t R o o m T e m p e r a t u r e a n d 4 0 0 C ; ( b ) Z T O d e p o s i t e d w i t h Z n / S n r a t i o s o f 1 0 1 5 1 8 2 0 2 2 a n d 2 5 ; ( c ) Z T O d e p o s i t e d a t t h i c k n e s s b e t w e e n 5 0 0 2 0 0 0 ; ( d ) Z T O a n n e a l e d i n a m b i e n t l i k e H e a n d O2; ( e ) P o s t d e p o s i t i o n Z T O a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e s ( 5 5 0 6 0 0oC ) a n d t i m e ; ( f ) d i f f e r e n t C d S t h i c k n e s s ; ( g ) C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s f r o m 5 8 0 6 2 0oC a n d ( h ) P o s t C d C l2 h e a t t r e a t m e n t t e m p e r a t u r e s a n d t i m e I n a l l t h i s w o r k u n l e s s i t i s m e n t i o n e d t h e C d S t h i c k n e s s i s c o n s t a n t ( 1 0 0 0 ) C d T e t h i c k n e s s i s 5m A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e / t i m e (oC / m i n ) A s d e p o s i t e d 5 7 5oC / 2 0 m i n 6 0 0oC / 2 0 m i n A v g t r a n s m i s s i o n ( % ) 9 2 1 2 9 1 7 7 9 2 8 8 7 0 5 9 G l a s s s u b s t r a t e S n O2: F Z T O ( 0 0 2 5 0 3 m ) I n C d S ( 0 0 7 0 1 m ) C d T e ( 5 m ) D o p e d g r a p h i t e p a s t e

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4 5 4 2 1 E f f e c t o f Z n2S n O4 A n n e a l i n g A m b i e n t T h e Z n2S n O4 f i l m s w e r e d e p o s i t e d a t R T i n A r a m b i e n t w i t h 1 0 0 0 t h i c k n e s s A s d i s c u s s e d e a r l i e r t h e a s d e p o s i t e d Z n2S n O4 f i l m s w e r e a m o r p h o u s a t R T S o a n n e a l i n g w a s r e q u i r e d t o m a k e f i l m c r y s t a l l i n e T h e a n n e a l i n g i n a m b i e n t o f H e a n d O2 w a s t e s t e d f o r t h i s p u r p o s e T h e l i g h t J V d a r k J V a n d S R o f s a m p l e s a n n e a l e d i n O2, H e a m b i e n t a r e s h o w n i n f i g u r e 4 1 1 ( a ) ( b ) a n d 4 1 2 r e s p e c t i v e l y Z n2S n O4 s a m p l e s a n n e a l e d i n O2 s h o w e d a n i n f e r i o r p e r f o r m a n c e w h e n c o m p a r e d t o t h o s e a n n e a l e d i n H e a m b i e n t T h e r e s i s t i v i t y o f O2 a n n e a l e d Z n2S n O4 i n c r e a s e d b y 7 t i m e s w h e n c o m p a r e d t o t h o s e a n n e a l e d i n H e [ 4 ] F i g u r e 4 1 1 ( a ) L i g h t J V C h a r a c t e r i s t i c s ( l e f t ) ( b ) D a r k J V C h a r a c t e r i s t i c s ( r i g h t ) o f Z n2S n O4 D e v i c e w i t h H e a n d O2 A n n e a l i n g A m b i e n t s T h e p o o r d e v i c e p a r a m e t e r s r e s u l t e d f o r O2 a n n e a l e d s a m p l e s i s d u e t o l o s s o f o x y g e n v a c a n c i e s a f t e r a n n e a l i n g i n O2; O2 e n h a n c e s t h e u n i f o r m i t y o f t h e l a t t i c e b y r e d u c i n g t h e n u m b e r o f d e f e c t s s o t h a t t h e n u m b e r o f c a r r i e r s f o r c o n d u c t i o n a r e r e d u c e d T h e v a l u e s o f Vo c F F a n d J s c a r e l i s t e d i n t a b l e 4 4

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4 6 T a b l e 4 4 E f f e c t o f A n n e a l i n g A m b i e n t o n Z T O D e v i c e S a m p l e # A n n e a l i n g a m b i e n t Vo c [ m V ] F F [ % ] J s c [ m A / c m2] Rs e r i e s [c m2] Rs h u n t [c m2] E f f i c i e n c y [ % ] 8 3 A 9 H e l i u m 8 0 0 6 6 5 2 1 3 0 9 9 2 x 1 03 1 1 3 3 8 1 5 A 1 O x y g e n 5 9 5 5 8 1 5 2 2 6 1 4 3 1 03 7 8 1 F r o m t h e l i g h t I V r e s p o n s e w e s e e t h a t t h e Vo c a n d F F o f H e a n n e a l e d s a m p l e s w e r e h i g h e r t h a n t h e s a m p l e s a n n e a l e d i n O2. F r o m d a r k I V w e s e e t h e p r e s e n c e o f s h u n t i n g i n O2 a n n e a l e d d e v i c e T h e d i f f e r e n c e i n Q E i n t h e s h o r t w a v e l e n g t h r e g i o n ( 4 5 0 5 1 0 n m ) i n t h e s a m p l e s i s d u e t h e d i f f e r e n c e i n f i n a l C d S t h i c k n e s s B u t d e v i c e s w i t h h i g h p e r f o r m a n c e c a n b e f a b r i c a t e d a t t h i s C d S t h i c k n e s s s o t h e C d S t h i c k n e s s s h o u l d n o t b e t h e r e a s o n f o r i n f e r i o r p e r f o r m a n c e o f t h e c e l l F i g u r e 4 1 2 S p e c t r a l R e s p o n s e o f Z n2S n O4 C e l l w i t h H e a n d O2 A n n e a l i n g A m b i e n t s

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4 7 F i g u r e 4 1 3 N o r m a l i z e d M o n o c h r o m a t i c J V a n d F F f o r M o n o c h r o m a t i c ( c o l o r ) a n d W h i t e L i g h t V s W a v e l e n g t h E v e n t h o u g h t h e s e r i e s r e s i s t a n c e o f O2 a n n e a l e d d e v i c e i s h i g h e r i t i s n o t t h e m a i n r e a s o n f o r t h e l o w e r d e v i c e p e r f o r m a n c e A l s o s h u n t r e s i s t a n c e i s h i g h f o r b o t h t h e s a m p l e s F r o m 4 1 1 ( b ) t h e O2 a n n e a l e d s a m p l e w a s f o u n d t o h a v e h i g h d a r k c u r r e n t T h e n o r m a l i z e d m o n o c h r o m a t i c I V f o r t h e s e s a m p l e s i s s h o w n i n f i g u r e 4 1 3 T h e d e v i c e w i t h O2 a n n e a l i n g h a s m o n o c h r o m a t i c F F h i g h e r t h a n F F o b t a i n e d f r o m w h i t e l i g h t F r o m S R t h e v a l u e o f Q E f o r O2 a n n e a l e d s a m p l e s a t 7 0 0 8 0 0 n m i s m o r e t h a n H e a n n e a l e d s a m p l e s t h i s c a n a l s o b e s e e n f r o m c o l o r J V T h e r e f o r e t h e m a i n r e a s o n f o r t h e l o w e r p e r f o r m a n c e o f O2 c o u l d b e h i g h d a r k ( r e c o m b i n a t i o n ) c u r r e n t t h a t l i m i t s t h e Vo c a n d F F I t i s n o t c l e a r w h y a n n e a l i n g o f Z n2S n O4 i n O2 l e a d s t o h i g h e r d a r k c u r r e n t a t t h i s t i m e

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4 8 4 2 2 E f f e c t o f W i n d o w L a y e r T h i c k n e s s o n t h e P e r f o r m a n c e o f Z n2S n O4 C e l l A b s o r p t i o n o f p h o t o n s w i t h e n e r g y g r e a t e r t h a n t h e C d S b a n d g a p r e s u l t s i n s i g n i f i c a n t a b s o r p t i o n l o s s t h e C d S r e g i o n T h i s a b s o r p t i o n l o s s c o u l d a m o u n t u p t o 7 m A / c m2 ( o f a m a x i m u m t h e o r e t i c a l o f 3 0 5 m A / c m2) [ 2 9 ] l o s s i n t h e f i n a l s h o r t c i r c u i t c u r r e n t S o m e o f t h i s l o s s c a n b e r e d u c e d b y d e c r e a s i n g t h e t h i c k n e s s o f C d S l a y e r B u t t h e r e i s a l s o a d e v i c e d e p e n d e n t “ c r i t i c a l C d S t h i c k n e s s ” b e t w e e n 4 0 0 t o 1 0 0 0 b e l o w w h i c h t h e j u n c t i o n p a r a m e t e r s d e g r a d e s i g n i f i c a n t l y [ 8 ] F i g u r e 4 1 4 J V C h a r a c t e r i s t i c s f o r T w o D i f f e r e n t C d S T h i c k n e s s o f Z n2S n O4 F i l m s I n a n e f f o r t t o f i n d t h e o p t i m u m t h i c k n e s s o f C d S w i t h o u t c o m p r o m i s i n g t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e C d S w i t h t w o d i f f e r e n t t h i c k n e s s e s o f ~ 5 0 0 a n d ~ 1 0 0 0 w a s d e p o s i t e d o n d e v i c e s w i t h Z n2S n O4 a s b u f f e r l a y e r H e r e Z n2S n O4 o f 2 0 0 0 t h i c k n e s s w a s d e p o s i t e d a t R T i n A r a m b i e n t T h e s e s a m p l e s w e r e f u r t h e r a n n e a l e d i n H e f o r 2 0 m i n u t e s L i g h t I V d a r k I V a n d S R o f t h e s e s a m p l e s a r e s h o w n i n f i g u r e s 4 1 4 a n d 4 1 5 T a b l e 4 5 s h o w s t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e

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4 9 T a b l e 4 5 E f f e c t o f W i n d o w L a y e r T h i c k n e s s o n Z T O D e v i c e F i g u r e 4 1 5 S p e c t r a l R e s p o n s e o f T w o D i f f e r e n t C d S T h i c k n e s s Z n2S n O4 F i l m s F r o m f i g u r e 4 1 4 T h e Vo c, F F o f s a m p l e s w i t h t h i n n e r C d S d e g r a d e d T h i s i s b e c a u s e t h i n n e r C d S r e s u l t s i n a g r e a t e r p r o b a b i l i t y o f f o r m i n g p i n h o l e s w h i c h i s t h e s o u r c e o f m i c r o s h u n t s i n t h e d e v i c e F r o m f i g u r e 4 1 5 w e c a n s e e t h a t t h e r e i s a s i g n i f i c a n t i n c r e a s e i n Q E a t s h o r t w a v e l e n g t h r e g i o n f o r t h i n C d S r e g i o n d u e t o l e s s a b s o r p t i o n b u t i t s u f f e r s f r o m c o l l e c t i o n l o s s e s a t h i g h e r w a v e l e n g t h ( f r o m t h e S r i c h i n t e r f a c i a l l a y e r ) 6 0 0 8 1 0 n m T h e Rs h i s l e s s f o r t h i n n e r C d S F r o m t h e d a r k I V d a r k s a t u r a t i o n c u r r e n t s a r e h i g h e r i n d e v i c e s w i t h t h i n n e r C d S T h i s i s a l s o t h e r e a s o n f o r l o w e r Vo c a n d F F B y u s i n g Z n2S n O4 a s b u f f e r l a y e r t h e Vo c, F F m a y n o t s u f f e r a s m u c h a s t h e s a m p l e s w i t h o u t i t t h i s b u f f e r l a y e r a s i s e v i d e n t f o r g o o d Vo c a n d F F T h e r e f o r e Z n2S n O4 c a n b e u s e d a s a n e f f e c t i v e b u f f e r l a y e r i n p r e v e n t i n g t h e s h u n t p a t h b e t w e e n C d T e a n d S n O2: F E v e n t h o u g h t t h e C d S i s t h i n t h e Z n2S n O4 b u f f e r l a y e r c a n h e l p i n i m p r o v i n g Js c’ s w i t h o u t r e d u c i n g Vo c, F F S a m p l e # D e p o s i t i o n t i m e Vo c [ m V ] F F [ % ] J s c [ m A / c m2] Rs e r i e s [ c m2] Rs h u n t [ c m2] E f f i c i e n c y ( % ) 6 2 4 A 3 5 0 m i n 7 8 0 6 1 9 2 4 3 8 1 7 5 2 1 1 5 8 6 2 4 B 4 8 5 m i n 8 1 0 6 8 0 2 3 3 1 6 1 0 0 0 1 3 3

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5 0 4 2 3 E f f e c t o f C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e o n Z n2S n O4 F i l m s D e p o s i t e d a t R T T o s t u d y t h e e f f e c t o f C d T e d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e C d T e f i l m s w e r e d e p o s i t e d a t d i f f e r e n t s u b s t r a t e ( g l a s s / S n O2: F / Z n2S n O4/ C d S ) t e m p e r a t u r e s o f 5 8 0 a n d 6 0 0oC k e e p i n g t h e s o u r c e t e m p e r a t u r e c o n s t a n t a t 6 8 0oC Z n2S n O4 f i l m s w e r e d e p o s i t e d a t R T a n d a n n e a l e d i n H e a m b i e n t f o r 2 0 m i n u t e s T h e t h i c k n e s s o f t h e Z n2S n O4 f i l m s w a s 2 0 0 0 T h e s e s a m p l e s w e r e C d C l2 h e a t t r e a t e d a t 3 9 0oC a n d 4 2 0oC T h e J V a n d S R a r e s h o w n i n f i g u r e s 4 1 6 a n d 4 1 t h e v a l u e s a r e s h o w n i n t a b l e 4 6 F i g u r e 4 1 6 L i g h t J V D a r k J V R e s p o n s e f o r C d C l2 A n n e a l i n g a t 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s F r o m t h e d a r k a n d l i g h t J V r e s p o n s e i t i s s e e n t h a t b y i n c r e a s i n g t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e f r o m 5 8 0 t o 6 0 0 C r e s u l t e d i n a p o o r d e v i c e p e r f o r m a n c e T h e Vo c’ s a n d F F ’ s o f t h e d e v i c e s d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s e i n s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ( Ts u b) T h e r e i s h i g h d a r k c u r r e n t f o r d e v i c e w i t h h i g h C d T e t e m p e r a t u r e m a k i n g t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e i n f e r i o r T h e s e r i e s r e s i s t a n c e f o r b o t h i s l o w e n o u g h T h e r e i s s h u n t i n g f o r h i g h C d T e t e m p e r a t u r e s u b s t r a t e b e c a u s e o f r e d u c e d C d S t h i c k n e s s

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5 1 T a b l e 4 6 C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e E f f e c t f o r Z n2S n O4 S a m p l e s C d C l2 A n n e a l e d a t 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s S a m p l e # C d T e t e m p e r a t u r e [ s u b s t r a t e / s o u r c e ] [oC ] C d C l2 a n n e a l i n g [oC / m i n u t e s ] Vo c [ m V ] F F [ % ] J s c [ m A / c m2] Rs e r i e s [c m2] Rs h u n t [c m2] E f f i c i e n c y [ % ] 1 8 A 3 a 5 8 0 / 6 8 0 3 9 0 / 2 5 8 4 0 6 3 6 0 2 0 7 5 7 1 2 0 0 1 1 0 6 4 2 B 1 4 6 0 0 / 6 8 0 3 9 0 / 2 5 7 0 0 5 6 9 2 5 1 9 1 7 6 5 9 9 7 A s t h e C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ( Ts u b ) w a s i n c r e a s e d t h e t h i c k n e s s o f t h e C d S l a y e r w a s r e d u c e d d u e t o t h e c o n s u m p t i o n ( e v a p o r a t i o n ) o f C d S d u r i n g t h e h i g h t e m p e r a t u r e p r o c e s s i n g o f C d T e l a y e r T h i s c a n a l s o b e s e e n f r o m t h e s p e c t r a l r e s p o n s e o f t h e s e d e v i c e s ( s e e f i g u r e 4 1 8 ) t h a t t h e C d S a b s o r p t i o n i s l o w e r i n t h e h i g h t e m p e r a t u r e p r o c e s s e d d e v i c e s A s d i s c u s s e d e a r l i e r t h e r e i s a m i n i m u m r e q u i r e d t h i c k n e s s f o r C d S f i l m s s o t h a t t h e d e v i c e r e s p o n s e i s n o t s a c r i f i c e d w h i l e t r y i n g t o i m p r o v e t h e c u r r e n t d e n s i t i e s R e d u c e d C d S t h i c k n e s s l e a d s t o i m p r o p e r i s o l a t i o n b e t w e e n C d T e a n d S n O2 r e s u l t i n g i n s h u n t i n g i n t h e s e d e v i c e s T h e s u b s t r a t e s w e r e a l s o C d C l2 h e a t t r e a t e d a t 4 2 0oC f o r 1 5 m i n u t e s T h e d a r k J V l i g h t J V a n d S R a r e i n f i g u r e s 4 1 7 4 1 8 F i g u r e 4 1 7 L i g h t J V D a r k J V R e s p o n s e f o r C d C l2 A n n e a l i n g a t 4 2 0oC f o r 1 5 M i n u t e s A s i m i l a r p e r f o r m a n c e i s o b s e r v e d f o r s a m p l e a n n e a l e d i n C d C l2 a t 4 2 0oC H i g h d a r k c u r r e n t s a r e o b s e r v e d f o r s a m p l e s t r e a t e d a t h i g h C d T e t e m p e r a t u r e s t h i s m a y b e d u e t o r e d u c t i o n o f C d S t h i c k n e s s T h e s e r i e s r e s i s t a n c e i s l o w f o r b o t h C d C l2 a n n e a l i n g

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5 2 t e m p e r a t u r e s t r e a t e d a t h i g h C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e d u e t o r e a c t i o n b e t w e e n C d S a n d Z n2S n O4. T a b l e 4 7 C d T e T e m p e r a t u r e E f f e c t o n Z n2S n O4 S a m p l e s C d C l2 A n n e a l e d a t 4 2 0oC f o r 1 5 M i n u t e s S a m p l e # C d T e t e m p e r a t u r e [ s u b s t r a t e / s o u r c e i n [oC ] C d C l2 T e m p e r a t u r e [oC / m i n u t e s ] Vo c [ m V ] F F [ % ] J s c [ m A / c m2] Rs e r i e s [c m2] Rs h u n t [c m2] E f f i c i e n c y [ % ] 1 8 A 3 X a 5 8 0 / 6 8 0 4 2 0 / 1 5 8 4 0 6 4 4 0 2 1 1 4 0 8 1 5 3 4 1 1 4 4 2 B 1 4 x a 6 0 0 / 6 8 0 4 2 0 / 1 5 7 8 0 5 8 2 2 4 5 2 1 4 1 6 4 5 1 1 1 3 F i g u r e 4 1 8 Q E f o r D i f f e r e n t C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e s a n d D i f f e r e n t C d C l2 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s ( a ) 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s ( b ) 4 2 0oC f o r 1 5 M i n u t e s

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5 3 F o r h i g h e r C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ( 6 0 0 C ) t h e l o w e r C d C l2 3 9 0oC h a v e l i t t l e h i g h e r Q E a t s h o r t w a v e l e n g t h r e g i o n B u t t h e e f f e c t o f C d C l2 f o r l o w e r C d T e t e m p e r a t u r e ( 5 8 0oC ) i s n e g l i g i b l e C o m p a r i n g t h e s a m p l e s w i t h s a m e C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s w i t h d i f f e r e n t C d C l2 t r e a t m e n t s i t c a n b e s e e n t h a t s a m p l e s a n n e a l e d a t 4 2 0oC h a v e b e t t e r p e r f o r m a n c e t h a n t h o s e a n n e a l e d a t 3 9 0oC T h i s i s c o n s i s t e n t w i t h t h e w o r k d o n e b y W u e t a l [ 1 6 ] T h e r e f o r e i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t i t i s n o t a d v i s a b l e t o a t t e m p t t o r e d u c e t h e f i n a l t h i c k n e s s o f C d S b y i n c r e a s i n g t h e C d T e d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e a s i t r e s u l t s i n p o o r j u n c t i o n p a r a m e t e r s W i t h o u t u s i n g Z n2S n O4 t h e d e v i c e p r o p e r t i e s s t i l l r e d u c e s o t h e p r e s e n c e o f Z n2S n O4 h e l p s i n r e s t o r i n g t h e d e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s 4 2 3 1 E f f e c t o f C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e o n Z n2S n O4 F i l m s D e p o s i t e d a t 4 0 0 C T h i s s e c t i o n f i n d s t h e e f f e c t o f C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o n Z n2S n O4 f i l m s d e p o s i t e d a t 4 0 0 C T h e s u b s t r a t e ( g l a s s / S n O2: F / Z T O / C d S ) t e m p e r a t u r e f o r C d T e d e p o s i t i o n w a s r a i s e d f r o m 6 1 0 t o 6 2 0 C T h e Z n2S n O4 f i l m s w e r e d e p o s i t e d a t 4 0 0 C w i t h 5 0 0 t h i c k n e s s a n d a n n e a l e d i n H e a m b i e n t a t 6 0 0 C f o r 2 0 m i n u t e s T h e C d C l2 a n n e a l i n g f o r t h e s e s a m p l e s w a s d o n e a t 3 9 0oC f o r 2 5 m i n u t e s F i g u r e 4 1 9 L i g h t a n d D a r k J V f o r D i f f e r e n t C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e s ( 6 1 0oC 6 2 0oC ) 1 E 0 8 1 E 0 7 1 E 0 6 1 E 0 5 1 E 0 4 1 E 0 3 1 E 0 2 1 E 0 1 1 E + 0 0 0 0 0 3 0 5 0 8 1 0 1 3 1 5 V o l t a g e [ V o l t s ] C u r r e n t D e n s i t y [ A / c m 2 ] 8 2 B 1 4 a ( 6 2 0 / 6 8 0 ) 7 1 B 9 a ( 6 1 0 / 6 8 0 ) 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 3 0 0 0 3 0 5 0 8 1 0 V o l t a g e [ V o l t s ] C u r r e n t D e n s i t y [ A / c m 2 ] 8 2 B 1 4 a ( 6 2 0 / 6 8 0 ) 7 1 B 9 a ( 6 1 0 / 6 8 0 )

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5 4 F r o m t h e d a r k a n d l i g h t J V f r o m f i g u r e s 4 1 9 w e c a n s e e t h a t Vo c a n d F F o f s a m p l e s p r o c e s s e d a t a h i g h e r C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e d e g r a d e d d u e t o t h i n n e r C d S T h i s r e s u l t e d i n h i g h e r s h o r t c i r c u i t c u r r e n t T h e S R f o r t h e s e d e v i c e s i s s h o w n i n f i g u r e 4 2 0 t h e d e v i c e p a r a m e t e r s a r e s h o w n i n t a b l e 4 7 D u e t o h i g h C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e t h e C d S h a s a l m o s t e v a p o r a t e d T h e Q E a t 4 5 0 n m f o r t h i s d e v i c e i s 7 2 % c o m p a r e d t o 6 1 % f o r s a m p l e s p r o c e s s e d a t 6 1 0oC F r o m t h e X R D ( s h o w n i n a p p e n d i x C ) t h e p r e s e n c e o f Z n S n O3 a n d Z n O2 m a y h a v e e f f e c t e d t h e Z n2S n O4 l a y e r t o i n t e r d i f f u s e w e l l w i t h C d S l a y e r T a b l e 4 8 E f f e c t o f C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e o n Z n2S n O4 D e v i c e S a m p l e # C d T e s u b s t r a t e / s o u r c e T e m p [oC ] Vo c [ m V ] F F [ % ] Js c [ m A / c m2] Rs Rs h E f f i c i e n c y [ % ] 7 1 B 9 a 6 1 0 / 6 8 0 8 3 0 7 0 6 0 % 2 2 5 8 1 4 1 1 0 0 1 3 2 3 8 2 B 1 4 a 6 2 0 / 6 8 0 7 9 0 6 6 7 0 % 2 3 9 1 1 2 9 8 0 0 1 1 7 2 F i g u r e 4 2 0 Q E f o r T w o D i f f e r e n t C d T e S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e s ( 6 1 0 6 2 0oC )

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5 5 D u e t o r e d u c t i o n o f f i n a l C d S m a k e s t h e d e v i c e t o p e r f o r m i n f e r i o r S o t h e h i g h C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s n o t r e c o m m e n d e d 4 2 4 E f f e c t o f C d C l2 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e o n Z n / S n R a t i o H e a t t r e a t m e n t ( H T ) i n t h e p r e s e n c e o f C d C l2 i s k n o w n t o b e b e n e f i c i a l i n i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e o f C d T e s o l a r c e l l s O n e o f t h e r e a s o n s i s t h e i n c r e a s e i n g r a i n s i z e I n a d d i t i o n t h e C d C l2 H T h a s b e e n f o u n d t o i m p r o v e t h e C d T e / C d S j u n c t i o n b y e n h a n c i n g t h e i n t e r d i f f u s i o n b e t w e e n t h e s e m i c o n d u c t o r s l e a d i n g t o t h e f o r m a t i o n o f a C d S1 xT ex i n t e r f a c i a l l a y e r T h i s l a y e r i s b e l i e v e d t o i m p r o v e c u r r e n t t r a n s p o r t b y r e d u c i n g t h e l a t t i c e m i s m a t c h b e t w e e n C d S a n d C d T e l a y e r s T h e p r e s e n c e o f o x y g e n d u r i n g t h e C d C l2 H T h a s b e e n f o u n d t o b e c r i t i c a l T h e a m o u n t o f O2 a p p e a r s t o i n f l u e n c e t h e d e g r e e o f C d S c o n s u m p t i o n i e t h e e x t e n t o f C d S a n d C d T e i n t e r d i f f u s i o n [ 1 5 ] 4 2 4 1 E f f e c t o f C d C l2 A n n e a l i n g o n Z T O F i l m s w i t h D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s T h e e f f e c t o f C d C l2 t e m p e r a t u r e ( 3 9 0 a n d 4 1 0oC ) o n d e v i c e s w i t h d i f f e r e n t Z n / S n r a t i o s w a s i n v e s t i g a t e d Z T O w a s 2 5 0 t h i c k d e p o s i t e d a t 4 0 0oC i n A r a m b i e n t f u r t h e r a n n e a l e d i n H e a m b i e n t a t 6 0 0oC f o r 5 m i n u t e s T h e C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s 6 2 0oC T h e d a r k l i g h t I V a n d S R o f t h e s e d e v i c e C d C l2 a n n e a l e d a t 3 9 0oC a r e s h o w n i n f i g u r e s 4 2 1 ( a ) 4 2 2 ( a ) F r o m t h e L i g h t I V w e c a n s e e t h a t a s t h e Z n / S n r a t i o i n c r e a s e d f r o m 1 8 t o 2 2 t h e d e v i c e Vo c a n d F F a r e d e g r a d e d T h e S R s h o w s s i m i l a r Js c’ s f o r a l l t h e d e v i c e s T h i s i s b e c a u s e o f s i m i l a r C d S ( f i n a l ) t h i c k n e s s i n a l l t h e s e d e v i c e s F r o m t h e l i g h t c u r v e w e s e e t h a t f o r t h e d e v i c e w i t h Z n / S n r a t i o o f 2 2 h a s a s t e e p s l o p e i n t h e d e e p r e v e r s e b i a s i n d i c a t i n g a l o w s h u n t r e s i s t a n c e T h i s i s t h e r e a s o n f o r t h e l o w e r Vo c i n t h i s d e v i c e F r o m t h e Q E r e s p o n s e i n t h e l o n g w a v e l e n g t h r e g i o n S R i s d u e t o t h e f a c t t h a t a l l t h e c a r r i e r s g e n e r a t e d i n t h e C d T e r e g i o n a t t h o s e w a v e l e n g t h s a r e n o t b e i n g e f f i c i e n t l y c o l l e c t e d d u e t o l o s s m e c h a n i s m s i n t h e d e p l e t e d a b s o r b e r l a y e r T h i s c a n a l s o b e c a l l e d a s c o l l e c t i o n l o s s

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5 6 F i g u r e 4 2 1 ( a ) L i g h t a n d D a r k J V f o r C d C l2 T e m p e r a t u r e o f 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s H i g h d a r k s a t u r a t i o n c u r r e n t s a r e t h e m a i n r e a s o n f o r t h e r e d u c t i o n o f Vo c, F F i n Z i n c r i c h s a m p l e s T h e s e s a m p l e s a r e a l s o C d C l2 a n n e a l e d a t 4 1 0oC f o r 2 0 m i n u t e s T h e p e r f o r m a n c e o f t h e d e v i c e i s s h o w n i n f i g u r e 4 2 1 ( b ) F i g u r e 4 2 1 ( b ) L i g h t a n d D a r k J V f o r C d C l2 T e m p e r a t u r e o f 4 1 0oC f o r 2 0 M i n u t e s 1 E 0 8 1 E 0 7 1 E 0 6 1 E 0 5 1 E 0 4 1 E 0 3 1 E 0 2 1 E 0 1 1 E + 0 0 0 0 0 0 2 5 0 5 0 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 V o l t a g e [ V o l t s ] C u r r e n t D e n s i t y [ A / c m 2 ] 8 2 A 3 a ( Z T O 2 0 ) 8 2 A 4 a ( Z T O 1 8 ) 8 2 A 5 c ( Z T O 2 2 ) 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 5 0 0 7 5 1 0 0 V o l t a g e [ V o l t s ] C u r r e n t D e n s i t y [ A / c m 2 ] 8 2 A 3 a ( Z T O 2 0 ) 8 2 A 4 a ( Z T O 1 8 ) 8 2 A 5 c ( Z T O 2 2 ) 1 E 0 8 1 E 0 7 1 E 0 6 1 E 0 5 1 E 0 4 1 E 0 3 1 E 0 2 1 E 0 1 1 E + 0 0 0 0 0 0 2 5 0 5 0 0 7 5 1 0 0 1 2 5 1 5 0 V o l t a g e [ V o l t s ] C u r r e n t D e n s i t y [ A / c m 2 ] 8 2 A 3 X a ( Z T O 2 0 ) 8 2 A 4 X a ( Z T O 1 8 ) 8 2 A 5 X a ( Z T O 2 2 ) 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 2 5 0 0 0 0 2 5 0 5 0 0 7 5 1 0 0 V o l t a g e [ V o l t s ] C u r r e n t D e n s i t y [ A / c m 2 ] 8 2 A 3 X a ( Z T O 2 0 ) 8 2 A 4 X a ( Z T O 1 8 ) 8 2 A 5 X a ( Z T O 2 2 )

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5 7 F r o m t h e f i g u r e 4 2 1 ( b ) t h e Z T O s a m p l e s w i t h C d C l2 a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e a t 4 1 0oC f o l l o w e d t h e s a m e t r e n d a s t h e d e v i c e s a n n e a l e d w i t h a t 3 9 0oC T h e d e v i c e Vo c, F F r e d u c e d w i t h t h e i n c r e a s e i n Z n / S n r a t i o T h e d a r k c u r r e n t i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e i n Z n / S n r a t i o F r o m t h e S R i n f i g u r e 4 2 2 w e s e e t h a t C d S h a s a l m o s t e v a p o r a t e d T h e l o s s i n F F i s m a i n l y d u e t o l o w s h u n t r e s i s t a n c e F i g u r e 4 2 2 ( a ) Q E P l o t Z T O D e v i c e s W i t h D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s f o r C d C l2 T e m p e r a t u r e s o f 3 9 0oC f o r 2 5 M i n u t e s ( b ) f o r C d C l2 T e m p e r a t u r e s o f 4 1 0oC f o r 2 0 M i n u t e s

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5 8 O n c o m p a r i n g t h e t w o d i f f e r e n t C d C l2 a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e s f o r i n c r e a s i n g Z n / S n r a t i o ( i n f i g u r e 4 2 3 ( a ) ( b ) ( c ) ) w e c a n s a y t h a t a s t h e Z n / S n r a t i o i n c r e a s e d s a m p l e s w i t h h i g h e r C d C l2 a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e s r e s u l t e d i n b e t t e r p e r f o r m a n c e T h e i n c r e a s e i n r e s i s t i v i t y f o r Z n r i c h s a m p l e s m a y b e d u e t o t h e p r e s e n c e o f Z n S n O3 T h i s m a y b e t h e m a i n r e a s o n f o r t h e n e e d o f h i g h t e m p e r a t u r e a n n e a l i n g f o r m a k i n g Z n r i c h Z T O s a m p l e s m o r e c r y s t a l l i n e T a b l e 4 8 g i v e s a c o m p a r i s o n o f t h e d e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s F i g u r e 4 2 3 ( a ) Z n / S n R a t i o V s Vo c ( b ) Z n / S n R a t i o V s F F ( c ) Z n / S n R a t i o V s Js c f o r T w o D i f f e r e n t C d C l2 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s

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5 9 T a b l e 4 9 E f f e c t o f C d C l2 T r e a t m e n t o n D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s F i l m s S a m p l e # Z n / S n r a t i o C d C l2 H T [oC / m i n ] Vo c [ m V ] F F [ % ] J s c ( m A / c m2) Rs e r i e s [c m2 ] Rs h u n t [c m2] E f f i c i e n c y [ % ] 8 2 A 4 a 1 8 3 9 0 / 2 5 8 0 3 5 4 8 3 % 2 2 0 6 0 7 7 3 8 0 0 1 0 2 6 % 8 2 A 3 a 2 0 3 9 0 / 2 5 7 8 0 5 4 5 0 % 2 2 8 0 1 2 4 7 0 0 1 1 5 7 % 8 2 A 5 c 2 2 3 9 0 / 2 5 7 2 0 4 3 5 0 % 2 1 4 5 1 9 8 1 1 0 7 4 5 % 8 2 A 4 X a 1 8 4 1 0 / 2 0 7 8 7 5 3 0 3 % 2 2 3 2 2 4 1 2 0 0 1 0 9 2 % 8 2 A 3 X a 2 0 4 1 0 / 2 0 7 7 3 5 0 6 3 % 2 2 2 0 1 1 8 4 0 0 9 7 8 % 8 2 A 5 X a 2 2 4 1 0 / 2 0 7 5 0 5 1 8 3 % 2 1 6 0 0 9 4 8 8 4 9 9 4 % 4 2 5 E f f e c t o f Z n2S n O4 A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e T o s t u d y t h e e f f e c t o f Z n2S n O4 a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e o n t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e t h e s a m p l e s a r e h e a t t r e a t e d a t 5 5 0 5 7 5 6 0 0oC Z n2S n O4 f i l m s a r e d e p o s i t e d i n A r / O2 a m b i e n t a n d i n R T T h e t h i c k n e s s o f t h e f i l m w a s 2 0 0 0 T h e f i l m s a r e a n n e a l e d i n H e i n e r t a m b i e n t a t v a r i o u s t e m p e r a t u r e s f o r 2 0 m i n u t e s a n d C d C l2 a n n e a l i n g w a s p e r f o r m e d a t 3 9 0oC f o r 2 5 m i n u t e s T h e d e v i c e l i g h t I V a n d d a r k I V a r e s h o w n i n f i g u r e 4 1 7 F r o m t h e f i g u r e 4 2 5 w e c a n o b s e r v e t h a t d e v i c e Vo c a n d F F a r e l o w f o r a s d e p o s i t e d a n d a n n e a l e d f i l m a t 5 5 0oC F r o m t h e d a r k I V w e s e e t h a t t h e d a r k c u r r e n t s d e c r e a s e a s t h e f i l m i s m o r e c r y s t a l l i n e T h i s h i g h d a r k ( r e c o m b i n a t i o n ) c u r r e n t s a r e t h e m a i n c a u s e f o r t h e d e c r e a s e i n t h e F F F r o m t h e S R i n f i g u r e 4 2 5 w e s e e t h a t i n t h e s h o r t w a v e l e n g t h r e g i o n t h e Q E i s h i g h f o r b o t h a s d e p o s i t e d a n d 5 5 0oC a n n e a l e d Z n2S n O4 s a m p l e s A t t h i s p o i n t w e h a v e n o c l e a r u n d e r s t a n d i n g o f w h y t h i s a m o r p h o u s f i l m ( a s d e p o s i t e d Z n2S n O4 a n d a n n e a l e d a t 5 7 5oC ) a r e m o r e r e a c t i v e t o C d S F o r t h i s a m o r p h o u s f i l m s t h e f i n a l C d S t h i c k n e s s i s l e s s r e s u l t i n g i n h i g h Js c’ s D u e t o d e c r e a s e i n f i n a l C d S t h i c k n e s s i n a m o r p h o u s f i l m s t h e d e v i c e Vo c a n d F F a r e r e d u c e d T h e r e i s c o l l e c t i o n l o s s i n t h e f i l m s a n n e a l e d a t 5 7 5oC o b s e r v e d a t h i g h w a v e l e n g t h r e g i o n o f S R

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6 0 T h e a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e o f Z n2S n O4 g r e a t l y a f f e c t s t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e A s d i s c u s s e d e a r l i e r i n t h e Z n2S n O4 s t r u c t u r a l a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s s e c t i o n t h e a s d e p o s i t e d Z n2S n O4 i s a m o r p h o u s a n d a n n e a l i n g m a d e t h e f i l m p o l y c r y s t a l l i n e T h e f i l m s s t a r t e d t o c r y s t a l l i z e a t 5 7 5oC A s t h e f i l m b e c a m e m o r e c r y s t a l l i n e t h e r e s i s t i v i t y o f t h e s a m p l e s d e c r e a s e d W e c a n a l s o o b s e r v e t h a t t h e s e r i e s r e s i s t a n c e d e c r e a s e d w i t h a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e o f Z T O T h e s h u n t r e s i s t a n c e i s h i g h e n o u g h f o r a l l t h e s a m p l e s T h e t a b l e 4 9 d e p i c t s t h e v a l u e s f o r t h i s d e v i c e F i g u r e 4 2 4 I V P l o t o f Z T O D e v i c e W i t h V a r i o u s A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s

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6 1 F i g u r e 4 2 5 S R P l o t o f Z T O D e v i c e W i t h V a r i o u s A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s T a b l e 4 1 0 P e r f o r m a n c e o f D e v i c e f o r V a r i o u s A n n e a l i n g T e m p e r a t u r e s o f Z n2S n O4 F i l m s S a m p l e # Vo c[ m V ] F F [ % ] Js c ( m A / c m2) Rs e r i e s [c m2] Rs h u n t [c m2] E f f i c i e n c y [ % ] 1 1 1 4 A 1 8 a ( 6 0 0 / 2 0 ) 8 3 0 6 8 5 0 2 1 9 7 0 9 6 1 1 0 0 1 2 4 9 1 1 1 4 B 2 0 a ( 5 7 5 / 2 0 ) 8 2 0 6 7 8 0 2 1 3 7 1 5 5 1 0 0 0 1 1 8 8 1 1 1 4 A 1 9 a ( 5 5 0 / 2 0 ) 7 3 0 5 4 5 0 2 1 9 2 2 0 8 1 1 7 0 8 7 2 1 1 1 4 B 2 1 c ( A s d e p ) 7 3 0 5 7 7 0 2 3 3 8 2 0 5 9 0 0 9 8 4 T h e r e f o r e t h e a s d e p o s i t e d Z n2S n O4 a n d f i l m s a n n e a l e d a t 5 5 0oC h a v e i n f e r i o r p e r f o r m a n c e d u e t o h i g h d a r k c u r r e n t s a n d d u e t o a m o r p h o u s n a t u r e o f t h e f i l m E v e n t h o u g h t h e s e f i l m s h a v e g o o d Js c d u e t o t h e s m a l l f i n a l C d S t h i c k n e s s T h e Z n2S n O4 a n n e a l e d a t 5 7 5oC a n d h i g h e r t e m p e r a t u r e s g a v e g o o d r e s u l t s d u e t o l o w d a r k c u r r e n t s a n d b e t t e r s t r u c t u r e o f t h e f i l m a f t e r a n n e a l i n g

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6 2 C H A P T E R 5 C O N C L U S I O N S C d T e / C d S s o l a r c e l l s w i t h h i g h r e s i s t i v e Z T O a s b u f f e r l a y e r w e r e f a b r i c a t e d T h e a s d e p o s i t e d Z T O f i l m s d e p o s i t e d a t R T w e r e f o u n d t o b e a m o r p h o u s A n n e a l i n g t h e f i l m s i n H e a m b i e n t r e s u l t e d i n p o l y c r y s t a l l i n e Z n2S n O4 f i l m s w i t h ( 3 1 1 ) p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n T h e r e s i s t i v i t y o f t h e f i l m s i n c r e a s e d a s t h e Z n / S n c o n t e n t i n t h e f i l m i s i n c r e a s e d a n d a l s o d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e U s i n g H e a s a n n e a l i n g a m b i e n t f o r Z n2S n O4, r e s u l t e d i n g o o d d e v i c e p e r f o r m a n c e A n n e a l i n g i n O2 r e s u l t e d i n p o o r S o l a r C e l l p e r f o r m a n c e p r e s u m a b l y d u e t o t h e f a c t t h a t O2 b e i n g a n o x i d i z i n g a g e n t r e d u c e s t h e c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n r e s u l t i n g i n d e t e r i o r a t e d d e v i c e j u n c t i o n p r o p e r t i e s T h e o p t i m u m C d S t h i c k n e s s b e i n g 1 0 0 0 T h e Z n2S n O4 d e p o s i t e d i n A r a m b i e n t a n d h e a t t r e a t e d f o r 6 0 0oC f o r 2 0 m i n u t e s i n H e a m b i e n t r e s u l t e d i n i m p r o v e d V o c a n d F F ’ s a s c o m p a r e d t o l o w t e m p e r a t u r e a n n e a l i n g T h i s i s m a y b e d u e t o i m p r o v e d c r y s t a l l i n i t y i n t h e f i l m a t h i g h t e m p e r a t u r e a n n e a l i n g A t c o n s t a n t Z n / S n r a t i o t h e C d T e d e p o s i t i o n a t h i g h s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e d e t e r i o r a t e s t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c e l l T h e C d C l2 p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s w e r e a l s o d e t e r m i n e d f o r v a r i o u s Z n / S n r a t i o s F o r Z T O f i l m s d e p o s i t e d a t 4 0 0oC a s t h e Z n c o n t e n t i n t h e f i l m i n c r e a s e d t h e h i g h e r t e m p e r a t u r e C d C l2 c o n d i t i o n r e s u l t e d i n i m p r o v e d p e r f o r m a n c e F o r s a m p l e s w i t h Z n / S n r a t i o l e s s t h a n 2 0 l o w C d C l2 a n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ( 3 9 0oC ) p e r f o r m e d w e l l a s c o m p a r e d t o h i g h t e m p e r a t u r e s

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6 3 Z T O d e p o s i t i o n a t h i g h t e m p e r a t u r e s r e s u l t e d i n i m p r o v e d c r y s t a l l a n i t y T h e b e s t d e v i c e s f a b r i c a t e d w i t h Z i n c S t a n n a t e w i t h 5 0 0 t h i c k n e s s a n d d e p o s i t e d a t 4 0 0oC f u r t h e r a n n e a l e d a t 6 0 0oC f o r 2 0 m i n T h e C d T e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s 6 1 0oC a n d C d C l2 a n n e a l i n g w a s d o n e a t 3 9 0oC f o r 2 5 m i n u t e s T h e d e v i c e o u t p u t w a s Vo c= 8 3 0 m V F F = 7 1 2 Js c= 2 2 5 8 w i t h t o t a l e f f i c i e n c y o f 1 3 3 4 %

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6 4 R E F E R E N C E S [ 1 ] S M S z e “ P h y s i c s o f S e m i c o n d u c t o r D e v i c e s ” J o h n W i l e y a n d S o n s [ 2 ] V i j a y V i s w a n a t h P h D D i s s e r t a t i o n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a 2 0 0 4 [ 3 ] M i c r o e l e c t r o n i c M a t e r i a l s b y C R M G r o v e n o r I n s t i t u t e o f P h y s i c s P u b l i s h i n g [ 4 ] R o b e r t M a m a z z a P h D D i s s e r t a t i o n E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a 2 0 0 0 [ 5 ] J H e r e r o M T G u t i e r r e z C H u i l l e m J M C o n a M A M a r t i n e z A M C h a p r r o a n d R B a y o n J T h i n S o l i d F i l m s 2 8 3 6 1 2 0 0 0 [ 6] J M E g g l e s t o n D P H a l l i d a y a n d K D u r o s e U n i v e r s i t y o f D u r h a m D e p a r t m e n t o f P h y s i c s S c i e n c e L a b o r a t o r i e s S o u t h R o a d D u r h a m D H 1 3 L E U n i t e d K i n g d o m W e b : h t t p : / / w w w d u r a c u k / d p h a l l i d a y / p u b 3 5 h t m l [ 7 ] M a d h a n R a j R a m a l i n g a m M a s t e r s T h e s i s E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a 2 0 0 4 [ 8 ] J E G r a n a t a J R S i t e s 2 5t h I E E E P h o t o v o l t a i c S p e c i a l i s t s C o n f e r e n c e M a y 1 3 1 7 1 9 9 6 [ 9 ] D a v i d L Y o u n g H e l i o M o u t i n h o Y a n f a Y a n a n d T i m o t h y J C o u t t s J A p p l i e d P h y s i c s V o l 9 2 N o 1 1 J u l y 2 0 0 2 [ 1 0 ] J a g a d i s h G a d u p u d i M a s t e r s T h e s i s E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f s o u t h F l o r i d a 2 0 0 4 [ 1 1 ] J B r i t t F e r e k i d e s A p p l i e d P h y s i c s l e t t e r s 6 2 ( 2 2 ) 3 1 M a y 1 9 9 3 p 2 8 5 1 [ 1 2 ] X W u S A s h e r D H L e v i D E K i n g Y Y a n T A G e s s e r t a n d P S h e l d o n J A p p l i e d P h y s i c s V o l 8 9 N o 8 2 0 0 1 p 4 5 6 4 [ 1 3 ] U m a m a h e s w a r i B a l a s u b r a m a n i a n M a s t e r s T h e s i s E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a 2 0 0 4 [ 1 4 ] N S R a o M a s t e r s T h e s i s E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a 1 9 9 9

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65 [15] Y. Hayashi, K. Kondo, K. Murai, T. Moriga, I. Nakabayashi, H. Fukumoto, K. Tominaga, Vacuum 74 (2004), pp. 607611. [16] X. Wu, T.J. Coutts, and W.P. Mulligan, J. Vac. Sci. Technol. A 15(3), May/Jun 1997, pp. 1057-1062. [17] B.E. McCandless, R.W. Birkmire, Conference Record of the 28th IEEE, Photovoltaic Specialists Conference, 15-22 Sept 2000, pp. 491 494. [18] Internet Magazine on People and Renewable Energy Web: http://www.peopleandplanet.net/doc.php?id=559 [19] Web: http://earthsci.org/energy/solar/page4.html. [20] Martin A. Green, Solar Cells Operating Principles Technology and Systems Applications, Prentice Hall Inc, 1982. [21] Varuna Gangireddy, Masters Thesis, Electrical Engineering, University of South Florida, 2004. [22] Web: http://www.stanford.edu/~mukul/tutorials/thinfilms.pdf [23] Web: http://www.cstl.nist.gov/div836/836.04/SensorProj/TinOxideSurf.html [24] Critical issues and research needs for CdTe based Solar cells, A.D. Compaan, J.R. Sites, R.W. Bilkmire, University of Toledo. Web: www.udel.edu/iec/Resumes/Birkmire/Pubs/RWB90.pdf. [25] Paulson, P.D. Dutta, J.Thin Solid Films, Vol. 370, pp. 299-306, (2000). [26] Web:http://www.eng.ku.ac.th/~mat/MatDB/MatDB/source/Struc/ceramics/spinel/ spinel.htm. [27] J. D. Perkins, J.A. Del Cueto, J.L Alleman, C. Warmsingh, B.M. Keyes, L.M. Gedvilas, P.A. Parilla, B. To, D.W. Readey, D.S. Ginley, Thin Solid Films 411, 2002, pp.152-160. [28] Viswanath Kumar, Master Thesis, Electrical Engineering, Universiy of South Florida, 2003. [29] C.S. Ferekides, U. Balasubramanian, R. Mamazza, V. Viswanathan, H. Zhao, D.L. Morel, Solar Energy, Volume 77, Issue 6, December 2004, Pages 823-830. [30] Satyaharish Jeedigunta Master Thesis, Electrical Engineering, University of South Florida, 2003.

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6 6 [ 3 1 ] X W u R G D h e r e D S A l b i n T A G e s s e r t C D e H a r t J C K e a n e A D u d a T J C o u t t s S A s h e r D H L e v i H R M o u t i n h o Y Y a n T M o r i a r t y S J o h n s t o n K E m e r y a n d P S h e l d o n C o n f e r e n c e p a p e r N C P V p r o g r a m m e e t i n g 1 4 1 7 o c t 2 0 0 1

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6 7 A P P E N D I C E S

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6 8 A p p e n d i x A : T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f Z T O F i l m A n n e a l e d a t H e a n d O2 A m b i e n t s F i g u r e A 1 T r a n s m i s s i o n R e s p o n s e o f Z T O F i l m o f 4 0 0 0 T h i c k n e s s A n n e a l e d a t H e a n d O2 A m b i e n t s [ 4 ]

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69 Appendix B: Transmission Response of CdS Film Figure B.1 Transmission Response of CdS Film with 500 and 1000 Thickness [30] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 350 425 500 575 650 725 800 875 Wavelength(nm)% Transmsson CdS(500 A) CdS(1000 A)

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7 0 A p p e n d i x C : X R D P a t t e r n o f Z T O F i l m f o r V a r i o u s P r o c e s s i n g P a r a m e t e r s F i g u r e C 1 X R D P a t t e r n o f Z T O F i l m f o r D i f f e r e n t Z n / S n R a t i o s F i g u r e C 2 X R D o f Z T O w i t h Z n / S n R a t i o o f 2 0 D e p o s i t e d a t R T 4 0 0oC A n g l e 2 A n g l e 2

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7 1 A p p e n d i x C : ( C o n t i n u e d ) 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 A D 5 5 0 5 7 5 6 0 0 F i g u r e C 3 X R D o f Z n2S n O4 D e p o s i t e d a t R T A s D e p o s i t e d a n d A n n e a l e d a t 5 0 0 5 7 5 6 0 0oC A n g l e 2 Z n2S n O4 [ 4 4 0 ] S n O2 [ 2 2 0 ] S n O2 [ 2 1 1 ] Z n2S n O4 [ 2 2 2 ] Z n2S n O4 [ 3 1 1 ] Z n2S n O4 [ 2 1 1 ] S n O2 [ 2 1 1 ] I n t e n s i t y [ c p s ]

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7 2 A p p e n d i x D : X R D o f Z n2S n O4 F i l m o f 5 0 0 T h i c k n e s s D e p o s i t e d a t 4 0 0oC F i g u r e D 1 X R D o f A s D e p o s i t e d Z n2S n O4 o f 5 0 0 T h i c k D e p o s i t e d a t 4 0 0oC F i g u r e D 2 X R D o f Z n2S n O4 o f 5 0 0 T h i c k D e p o s i t e d a t 4 0 0oC a n d A n n e a l e d i n H e A m b i e n t f o r 2 0 M i n u t e s a t 6 0 0oC


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1 100
Bapanapalli, Srilatha.
0 245
Cds/cdte thin film solar cells with zinc stannate buffer layer
h [electronic resource] /
by Srilatha Bapanapalli.
260
[Tampa, Fla.] :
b University of South Florida,
2005.
502
Thesis (M.S.E.E.)--University of South Florida, 2005.
504
Includes bibliographical references.
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Text (Electronic thesis) in PDF format.
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500
Title from PDF of title page.
Document formatted into pages; contains 86 pages.
3 520
ABSTRACT: CdS/CdTe solar cell performance and reproducibility can be improved by integrating a ZTO buffer layer, which interdiffuses into the CdS layer during device fabrication. Reducing the thickness of CdS layer improves the QE in the blue spectral region without affecting the device performance. This buffer layer is expected to prevent the formation of localized TCO/CdTe junction during high temperature processing.The CdS/CdTe Solar Cell was modified by introducing ZTO as a buffer layer between the window layer (CdS) and the absorber layer (CdTe). Studies were performed on different varying ZTO processing parameters like (a) Zn/Sn atomic ratios during sputtering process, (b) ZTO thickness, (c) ZTO heat treatment temperature, and (d) ZTO heat treatment ambient.
590
Adviser: Dr. Ferekides.
Co-adviser:
653
Tco.
Photovoltaic.
Resistive layer.
Processing.
Zto.
690
Dissertations, Academic
z USF
x Electrical Engineering
Masters.
773
t USF Electronic Theses and Dissertations.
4 856
u http://digital.lib.usf.edu/?e14.1004