Muonium as a model for hydrogen in solar cell absorbers CIGS and CZTS

Abstract

In this dissertation we present muon spin spectroscopy (µSR) measurements in the chalcopyrite solar cell semiconductor absorbers Cu2ZnSnSe4(CZTS) and Cu(In0.79Ga0.21)1.09Se2.1(CIGS). The exotic muonium atom, consisting of a positive muon and an electron, was used as light pseudo-isotope of hydrogen, in order to model the behavior of the omnipresent hydrogen impurity in these materials. The results of experiments performed at the EMU instrument in the ISIS Facility of the Rutherford Appleton Laboratory in the United Kingdom by implanting 4 MeV positive muons in polycrystalline samples, were analyzed and modelled. A thorough characterization of the muonium configurations was therefore performed. Measurements in zero applied magnetic fields allowed for a clear separation of the distinct components of the µSR spectrum. Repolarization measurements in longitudinal field geometry allowed to assess the hyperfine interaction of the muonium states, which was found to correspond to an atomic-like value (1.6 GHz). The equivalent muonium configurations of the theoretically predicted hydrogen donor and acceptor impurity states were therefore characterized as interstitial muonium and bound muonium, respectively, and their thermal stability was investigated by temperature dependence measurements. A fast relaxing component associated to a transient state in the thermalization process has also been characterized, by field-dependent measurements in transverse geometry. However, the dominant configuration is a non-relaxing component that we associate to muons stopping at or near defects.

Nesta dissertação apresentamos medidas de espetroscopia de spin de muões (µSR) nos semicondutores do tipo calcopirite Cu2ZnSnSe4(CZTS) e Cu(In0.79Ga0.21)1.09Se2.1(CIGS), utilizados como absorvedores em células solares de filme fino. O átomo exótico de muónio, formado por um muão positivo e um eletrão, foi utilizado como pseudo-isótopo leve do hidrogénio, a fim de simular o comportamento da impureza de hidrogénio, omnipresente nestes materiais. Foram analisados e elaborados modelados físicos relativamente aos resultados de experiências realizadas no instrumento EMU da instalação ISIS no Laboratório Rutherford Appleton no Reino Unido, implantando muões positivos de 4 MeV em amostras policristalinas.Foi assim realizada uma caraterização completa das configurações do muónio. As medições em campo magnético nulo permitiram uma separação clara das distintas componentes do espetro µSR. Medidas de repolarização em geometria de campo longitudinal permitiram avaliar a interação hiperfina dos estados do muónio, que se verificou corresponder a um estado compacto quase atómico (1.6 GHz). As configurações equivalentes de muónio dos estados de impureza dadora e aceitadora de hidrogénio, previstas teoricamente, foram assim caracterizadas como muónio intersticial e muónio ligado, respetivamente, e a sua estabilidade térmica foi investigada por medidas de dependência com a temperatura. Foi também caracterizada uma componente de relaxação rápida associada a um estado transitório no processo de termalização, através de medições dependentes do campo em geometria transversal. No entanto, a configuração dominante nestas medidas de espetroscopia do muão positivo é uma componente sem relaxação de spin, que associamos a muões que param em defeitos ou perto deles.