Electro Deposition of Cuprous Oxide for Thin Films Solar Cell Applications

Des couches semi-conductrices d'oxyde de cuivre de type p et de type n pour des applications photovoltaïques ont été fabriquées par voie électrochimique avec des approches nouvelles. Les couches minces ont été électro-déposées par polarisation cathodique sur une feuille de cuivre et des substrats d'oxyde d'indium-étain (ou oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO)). Les conditions optimales de dépôt (composition, pH et température de l'électrolyte, domaine de potentiel à appliquer) des couches sous forme de films minces ont été identifiée, En particulier les conditions qui permettent d'avoir des couches de type n ont été bien identifiée pour la première fois. La configuration d'une pile photo-électrochimique a été utilisée pour caractériser la réponse spectrale des couches. Il a été montré que les couches p délivre un photo-courant dans le domaine cathodique et les couches n dans le domaine de potentiel anodique. Les mesures des résistivités électriques des couches électro chimiquement déposées de Cu2O, de type p et n, ont montré que la résistivité du Cu2O de type p varie de 3.2×105 à 2.0×108 Ω.cm selon les conditions de dépôt telles le pH de la solution, le potentiel de dépôt et la température. L'influence de plusieurs paramètres d'électrodéposition de couches de Cu2O de type, tels que le potentiel appliqué, le pH et la température du bain, sur la composition chimique, le degré de cristallinité, la taille des grains et l'orientation a été systématiquement étudiée en utilisant la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage. Selon le potentiel d'électrodéposition, deux morphologies différentes de surface avec des orientations cristallines préférentielles variées ont été obtenues pour des températures de l'électrolyte de dépôt de 30 °C et un pH de 9.Pour la même température, les couches de Cu2O de type p, hautement cristallines, se trouvent sont obtenues à pH de 12, ce qui indique que la cristallinité dépend du pH du bain. Aussi, il a été montré que la morphologie des couches de Cu2O était modifiable en variant le potentiel et la durée de déposition, ainsi que la température de la solution. Les conditions d'électrodéposition de Cu2O de type n ont été identifies de manière systématique la première fois. L'électrolyte de déposition est à base de 0,01 M d'acétate de cuivre et 0,1 M d'acétate de sodium: a un pH compris entre 4 et 6.3, un potentiel compris entre -0,25 V vs Ag/AgCl et une température de 60oC. La température optimum de recuit des couches n est de 120-150oC pour des durées de 30 à 120 minutes. La résistivité des films de type n varie entre 5x103 et pH 4 à 5x104 à pH 6.4. Nous avons montré pour la première fois que le barbotage de l'azote dans la cellule d'électrodéposition des couches de type n améliore manière significative leur réponse spectrale. Un procédé d'électrodéposition en deux étapes à été mis en œuvre pour fabriquer la l'homo jonction p-n de l'oxyde oxyde cuivreux sur le substrat l'oxyde d'indium-étain (ITO) qui a été utilisé comme un oxyde conducteur transparent. La performance photovoltaïque d'une cellule solaire à homo-jonction p-n de Cu2O a été déterminée. Le courant en court-circuit et la tension de circuit ouvert ont été respectivement déterminés à 235 μA/cm2 et 0,35 Volt. Le facteur de remplissage (FF) et le rendement de conversion de la lumière en électricité des cellules ont été respectivement évalués à 0,305 et 0,082%.

Abstract

p and n type copper oxide semiconductor layers were fabricated by electrochemistry using new approaches for photovoltaic applications. Thin films were electroplated by cathodic polarization on a copper foil or indium tin oxide (ITO) substrates. The optimum deposition conditions (composition, pH and temperature of the electrolyte and applied potential) of the layers as thin films have been identified; in particular the conditions that allow getting the n-type layers have been well identified for the first time. The configuration of a photo - electrochemical cell was used to characterize the spectral response of the layers. It was shown that the p type layers exhibit a photocurrent in the cathode potential region and n layers exhibit photo current in the anode potential region. Measurements of electrical resistivity of electro chemically deposited layers of p and n type Cu2O, showed that the resistivity of p-type Cu2O varies from 3.2 × 105 to 2.0 × 108 Ωcm. These values depend the electrodepositing conditions such as the pH of the solution, the deposition potential and temperature. The influence of several plating parameters of the p-type layers of Cu2O, such as applied potential, pH and temperature of the bath on the chemical composition, degree of crystallinity, grain size and orientation parameters of the sample was systematically studied using X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Depending of the electro-deposition potential, two different surface morphologies with various preferential crystal orientations were obtained for the temperatures of the electro-deposition of 30 ° C and pH 9. For the same temperature, the layers of p-type Cu2O of highly crystalline p-type are obtained at pH 12, indicating that the crystallinity depends on the pH of the bath. Also, it has been shown that the morphology of Cu2O layers was changed by varying the potential and the duration of deposition, as well as the temperature of the solution. The conditions for the electro-deposition of Cu2O n-type were identified consistently for the first time. The electro-deposition electrolyte is based 0.01M acetate copper and 0.1 M sodium acetate: it has a pH between 6.3 and 4, a potential of from 0 to -0.25 V vs. Ag / AgCl and a temperature of 60oC. The optimum annealing temperature of the n-type Cu2O layers is between 120-150oC for the annealing time of 30 to 120 minutes. Resistivity of the n-type films varies between 5x103 and 5x104 at pH 4 to pH 6.4. We have shown for the first time that bubbling nitrogen gas in the electroplating cell improves significantly the spectral response of the electro-deposited n-type thin film. A two steps electro-deposition process was implemented to make the p-n homojunction cuprous oxide. Indium tin oxide (ITO) was used as a transparent conductive oxide substrate. A p-Cu2O was electrodeposited on ITO. After heat treatment a thin film layer of n-Cu2O was electrodeposited on top of previous layer. The performance of a p-n homojunction photovoltaic solar cell of Cu2O was determined. The short-circuit current and the open circuit voltage were respectively determined to be as 0.35 volts and 235 μA/cm2. The fill factor (FF) and conversion efficiency of light into electricity were respectively measured to be 0.305 and 0.082%.