Lo sviluppo di nuovi materiali per applicazioni fotovoltaiche (FV) basati su elementi ad elevata abbondanza naturale, ed in particolare legati alle tecnologie a film sottile (FS), è di strategica importanza per massimizzare la produzione di energia da fonti rinnovabili fino alla scala dei Terawatt (TW). L’attività svolta ha riguardato la crescita e la caratterizzazione di FS di calcogenuri appartenenti alla famiglia dei composti con formulazione Cu₂M^(II)M^(IV)S₄ con M^(II) = Zn, Mn, Fe, Co, Ni, e M^(IV)= Si, Ge, Sn. In particolare, è stata investigata in maniera estesa la crescita di FS di Cu2MnSnS4 (CMTS), e Cu₂FeSnS₄ (CFTS) in via preliminarmente, mediante un nuovo approccio.

L’obiettivo del lavoro è stato quello di mettere a punto le condizioni di crescita per questi materiali al fine di ottenere FS compatti, omogenei, di spessore prossimo ai 1.5μm in cui sia minima la quantità di fasi secondarie deleterie per le applicazioni FV.

Essendo estremamente contenuta la letteratura in merito al CMTS e CFTS, questo lavoro esplorativo si pone inoltre l’obiettivo di realizzare della ricerca di base oltre che ottimizzare la crescita di FS di questi calcogenuri. Il processo scelto per la crescita di questi FS è detto a “due fasi”: nella prima, un multi strato dei precursori metallici viene depositato sul substrato in fase vapore (PVD), e successivamente trattato termicamente tra 500-600°C in un’atmosfera contenente vapori di zolfo. Al fine di individuare quale tra i processi PVD fosse più adatto a sviluppare calcogenuri di nuova composizione, per la deposizione dei precursori metallici si è scelto di confrontare il processo evaporativo utilizzato per il CMTS con quello dello sputtering combinatorio impiegato per l’ottimizzazione del CFTS.

I test preliminari utilizzando lo sputtering combinatorio per il CFTS sono stati realizzati in collaborazione con l’Università di Bochum (DE); sono state realizzate deposizioni dei precursori sia in configurazione co-sputtering che sequenziale.

Particolare attenzione è stata posta allo studio della struttura dei FS di CMTS in funzione di alcuni dei parametri di crescita. I campioni di CMTS sono stati caratterizzati mediante SEM, EDX, XRD, spettroscopia Raman. I dati cosi ottenuti sono stati utilizzati per ottimizzare i parametri di crescita dei FS di CMTS; in questo modo sono stati depositati FS con caratteristiche ottimali per applicazioni FV ed in collaborazione con l’università di Milano-Bicocca, sono stati realizzati dei dispositivi prototipali. Le difficoltà nel coordinare le attività sul CFTS, intrinseche alla tecnica di deposizione scelta, hanno per ora limitato lo studio su questo materiale ad un’analisi composizionale di alcuni campioni preliminari pre- e post-solforazione. Sono stati inoltre evidenziati i vantaggi e svantaggi tra evaporazione e sputtering combinatorio in fase di ottimizzazione per la deposizione di FS di nuovi calcogenuri.