Síntesis y caracterización de películas delgadas del semiconductor Cu2ZnSnS4 y su uso como capa absorbente en celdas solares

Abstract

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%.

Abstract. This work, shows significant contributions were made in the area of semiconductor materials with low production cost, low environmental impact and high relative abundance for applications in photovoltaic devices; was examined and a new synthetic route by co-evaporation carried out in high vacuum conditions, starting from the metal precursors (Cu , Zn and Sn) evaporated in atmosphere of sulfur to obtain the semiconductor Cu2ZnSnS4 with the suitable properties to be used as ptype absorber layer in solar cell thin film technology devices. In particular contributions were made in the synthesis and thin films growth of Mo, CZTS, CdS, ZnS, ZnO and ITO using techniques such as, DC magnetron sputtering , Physical Vapor Deposition (PVD) and Chemical Bath Deposition (CBD), also structural, optical, electrical and compositional characterization, electronic structure, morphological and vibrational modes, using X-ray diffraction (XRD), spectral transmittance, scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray probe (SEM-EDX), high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy. The reaction sequence Cu/Sn/Zn in sulfur atmosphere allows obtaining CZTS films with desirable properties: Kesterite type structure with tetragonal packaging system and space group I42m corresponding to a band gap of 1.42 eV and p-type conductivity. Variations on CZTS thin films composition were carried out using [Cu]/([Zn]+[Sn]) ratio and was evidenced that samples with copper poor and Zn rich have a maximum conversion efficiency of h=1.9%, which were obtained with cells manufactured using CdS as buffer layer and CZTS with molar ratio [Cu]/([Zn]+[Sn]) = 0.9, meanwhile, the maximum efficiency obtained using ZnS as buffer layer was h=1.3 %.