Fabricación de películas delgadas de Cu2ZnSnS4 crecidas por el método de spray pirolisis y optimización de sus propiedades para aplicaciones fotovoltaicas

Abstract

En esta investigación se hicieron aportes a la síntesis y estudio de propiedades ópticas, eléctricas, morfológicas y estructurales de películas delgadas del compuesto Cu2ZnSnS4 (CZTS), las cuales fueron usadas como como capa absorbente en la fabricación de celdas solares. La síntesis se llevó a cabo por la técnica de spray pirolisis (SP) en una etapa, usando una solución precursora a partir de tiourea como fuente de azufre y cloruros de Cu, Sn y Zn disueltos en DMSO/acetona; este desarrollo es un aporte importante, debido a que esta técnica de síntesis es económica (no requiere vacío) y fácilmente escalable a nivel industrial. Se realizó un estudio exhaustivo del efecto de los parámetros operacionales del sistema SP basado en el diseño experimental central compuesto – centrado en las caras (CFC), que permitió optimizar las propiedades del CZTS. Posterior al proceso de síntesis, se estudió la influencia de diferentes tratamientos térmicos, con los cuales se obtuvo una mayor calidad cristalográfica de las películas de CZTS y una mejora de sus propiedades eléctricas y ópticas, logrando la fabricación de películas delgadas de CZTS libre de fases secundarias con un coeficiente de absorción de 104 cm-1, un band gap óptico de 1.5 eV y resistividades ~ 15 Ωcm. Se estudió también el efecto de la atmósfera del tratamiento térmico sobre la eficiencia de celdas solares fabricadas con arquitectura Mo/CZTS/CdS/ITO, obteniendo eficiencias de 0.5% y 1.8% para las celdas con la capa CZTS recocida en atmósfera de N2 y Ar+S+Sn, respectivamente. Con el fin de mejorar la eficiencia de conversión de la celda, se evaluó el dopado de la capa de CZTS con NaF (0 20 nm), con lo cual se obtuvo una eficiencia máxima de 3.7% con un dopado de 15 nm de NaF.

Abstract: This research contributed to the synthesis and study of optical, electrical, morphological and structural properties of thin films of the compound Cu2ZnSnS4 compound (CZTS), which were used as an absorbent layer in the manufacture of s olar cells . The synth esis was carried out by the technique of Spray pyrolysis (SP) usin g a precursor solution from t hiourea as a source of sulphur and chlorides of Cu, Sn and Zn dissolved in DMSO/acetone . This development is an important contribution, because this technique of synthesis is economic (does not require vacuum) and easily scalable at industrial level. An exhaustive study of the effect of the operational parameters of the SP system was carried out ba sed on the experimental design central composite - face centered (C CF) , which allowed to optimize the properties of the CZTS . After the synthesis process, we studied the influence of different thermal treatments, with which it was obtained a higher quality of crystallographic properties of the CZTS Films and an improvemen t of their electrical and optical properties, achieving the manufacture of CZTS thin films free secondary phases with an absorption coefficient of 10 4 cm - 1 , an optical band gap of 1.5 eV and resistivities ~ 15 Ω cm . We also studied the effect of the atmosph ere of heat treatment on the efficiency of solar cells manufactured with architecture Mo/CZTS/CdS/ITO, obtaining efficiencies of 0.5% and 1.8% for cells with the CZTS layer annealed in atmosphere of N 2 and Ar + S + Sn r espectively. In order to improve the conversion efficiency of the cell , the doping of the CZTS layer with Na F (0 - 20 nm) was evaluated , thus obtaining a maximum efficiency of 3.7% doping the CZTS layer with a 15 n m thick Na F film . Another important contribution of this work has to do with the design, construction and operation of a semi - automatic system of spray pyrolysis and a chamber of anneal ing in controlled atmosphere, as well as the development of new methods of synthesis of thin films used as layer buffer, TCO and absorbent layer.