Electrical influence of sodium in Bridgman-grown copper indium diselenide

Sodium is well known to improve the performance of thin-film, polycrystalline CuInSe2-based photovoltaic devices. This has led to extensive research on the effects of this element on the polycrystalline material, with the ultimate objective of identifying the mechanism by which Na acts on the cells. However, much less research has been done on the effects of sodium on the monocrystalline form of this material. Such research could help to differentiate bulk from grain-boundary effects, as well as to identify reactions between the Na and the compound itself, or the individual elements within the compound. Therefore, in the present work, Na was added in varying quantities to quartz ampoules containing Cu, In and Se, in the atomic ratios of 1:1:2. The ampoules were evacuated and sealed before being put through a vertical-Bridgman procedure, resulting in ingots containing large, cm-size crystals. Electrical measurements on the ingot material revealed p-type conductivity for all material grown with stoichiometric proportions of the starting elements, without Na, but n-type conductivity for material grown with Na above a certain critical value. It was discovered that this critical value of Na increased when excess Se, above stoichiometry, was also included in the ampoules. Further experiments confirmed the mechanism responsible for the conductivity type change to be a reaction between the Na and Se, in a 2:1 atomic ratio, corresponding to the chemical formula Na2Se, which starved the CuInSe2 of its share of selenium, rendering it Se-deficient and therefore n-type. Other effects of Na on the material are identified, including no detection of sodium within the ternary itself. As well, some photovoltaic cells were made, the best of which achieved an efficiency of 8.8 %.Le sodium améliore la performance des appareils photovoltaïques polycristallins à base de CuInSe2. Ce fait a déclenché beaucoup de recherches sur les effets de cet élément sur les matériaux polycristallins ayant comme objectif primaire d'identifier le mécanisme par lequel le Na agit sur les cellules. Par contre, très peu de recherches étudient les effets du Na sur la forme monocrytalline de ce matériel. De telles recherches pourraient aider à différencier les effets à l'intérieur du cristal des effets aux surfaces des cristaux, en plus d'identifier les réactions entre le sodium et la composition même, ou ses éléments individuels. Ainsi, l'expérimentation ci-présentée consiste à ajouter du Na en quantités variées à des ampoules en quartz contenant Cu, In et Se en respectant le ratio atomique de 1 :1 :2. Elles ont été évacuées et scellées avant d'être introduites selon la procédure « vertical-Bridgman ». Ce qui en résulte est un lingot contenant un large cristal mesurant quelques cm. Des analyses électriques sur le lingot ont révélé de la conductivité de type p sur tout le matériau créé avec des proportions stœchiométrique de l'élément originaire, sans Na, mais avec de la conductivité de type n sur tout matériau créé avec du Na au delà d'une certaine valeur. Il a été découvert que cette valeur critique de Na augmente lorsqu'un excédant de Se, au-delà de la stœchiométrie, est aussi incluse dans les ampoules. Des expérimentations ultérieures ont confirmé que le mécanisme responsable pour le changement de type de conductivité est une réaction entre Na et Se selon un ratio atomique de 2 :1, correspondant à la formule chimique Na2Se. Cela rend le CuInSe2 déficient en Se et donc de type n. D'autres effets du Na sur le matériau ont été identifié, incluant la non-détection de sodium dans le ternaire. En plus, certaines cellules photovoltaïques ont été créées, la meilleure ayant atteint une efficacité de 8.8%