Síntesis y caracterización de películas delgadas del semiconductor Cu2ZnSnS4 y su uso como capa absorbente en celdas solares (2014)
En este trabajo se lograron aportes significativos en el área de materiales semiconductores de bajo costo de producción, bajo impacto ambiental y alta abundancia relativa para aplicaciones en dispositivos fotovoltaicos; se estudió y se desarrolló una nueva ruta de síntesis por co-evaporación en condiciones de alto vacío, partiendo de los precursores metálicos (Cu, Zn y Sn) evaporados en atmósfera de azufre para la obtención del semiconductor Cu2ZnSnS4 con las propiedades adecuadas para ser usado como capa absorbente tipo p en celdas solares de tecnología de película delgada. En particular se hicieron aportes en la síntesis y crecimiento de películas delgadas de Mo, CZTS, CdS, ZnS, ZnO y ITO empleando las técnicas Sputtering DC magnetrón, Deposición Física en Fase de Vapor (PVD) y Deposición por Baño Químico (CBD), como en la caracterización estructural, óptica, eléctrica, composicional, estructura electrónica, morfológica y modos vibracionales de dichos materiales empleando difracción de rayos-X (XRD), transmitancia espectral, microscopia electrónica de barrido con sonda de análisis de dispersión de rayos-X (SEM-EDX), microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), espectroscopía fotoelectrónica de rayos-X (XPS) y espectroscopia Raman. La secuencia de reacción Cu/Sn/Zn en atmosfera de azufre permite obtener las películas de CZTS con las propiedades adecuadas: estructura tipo kesterita con un sistema de empaquetamiento tetragonal correspondiente al grupo espacial I42m, un band gap de 1.42 eV y conductividad tipo p. A partir del estudio en la variación de la composición de las películas teniendo en cuenta la relación [Cu]/([Zn]+[Sn]) se evidencia que aquellas muestras pobres en Cu y ricas en Zn presentan una eficiencia máxima de conversión de h=1.9%, la cual fue conseguida con celdas fabricadas usando CdS como capa buffer y una capa de CZTS con una concentración de Cu correspondiente a la relación molar [Cu]/([Zn]+[Sn])=0.9, a su vez, la máxima eficiencia obtenida usando ZnS como capa buffer fue del h=1.3%.