Desarrollo de celdas solares con estructura Mo/CuInS2/In2S3/ZnO

Abstract

Esta tesis está enfocada al desarrollo de celdas solares de película delgada con estructura Mo/CuInS2/In2S3/i-ZnO/n+ZnO/Al, donde las películas de n+-ZnO son altamente transparentes y conductoras y las películas de i-ZnO son altamente transparentes y resistivas. Previo a la fabricación del dispositivo fueron encontradas las condiciones para preparar cada una de las capas que constituyen el dispositivo con propiedades adecuadas para que cumpla su función específica en el dispositivo. Películas delgadas de Mo depositadas por sputtering DC fueron usadas como contacto inferior y películas delgadas de CuInS2 preparadas por co-evaporación secuencial de sus precursores fueron usadas como capa absorbente. Como capa buffer se usaron películas delgadas de In2S3 depositadas por co-evaporación de indio y azufre elemental y por CBD (chemical bath deposition) y como capa TCO (transparent conductive oxide) se usaron películas delgadas de ZnO depositadas por el método de evaporación reactiva usando un procedimiento novedoso desarrollado en este trabajo. La preparación de las películas de ZnO por evaporación reactiva representa una alternativa de bajo costo a la técnica de sputtering RF de magnetrón típicamente usada para la fabricación de este material. Las principales contribuciones de esta tesis son las siguientes: i) Determinación de las condiciones para la preparación de las capas que conforman la celda solar de CIS a través de la correlación de parámetros de crecimiento variados en un amplio rango con los resultados obtenidos de análisis químico y estudio de las propiedades ópticas, eléctricas y estructurales utilizando las técnicas de Espectroscopia de Electrones Auger (AES), Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS), Espectrofotometría UV-VIS-NIR, Difracción de Rayos X (XRD) y Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). Es importante resaltar que las celdas solares fabricadas en este trabajo no usan materiales tóxicos y los reactivos usados para la deposición de la capa buffer tampoco incluye reactivos tóxicos que es una de las grandes limitantes que tiene la tecnología de celdas basadas en CIS. La capa de CdS que normalmente se utiliza como buffer en este tipo de dispositivos fue sustituido por In2S3 y la hidracina usada como agente acomplejante en el crecimiento por CBD de la capa buffer fue sustituida por citrato de amonio. ii) Investigación de los mecanismos que afectan el transporte eléctrico de las películas de CIS y de ZnO, a través de medidas de conductividad y voltaje Hall dependientes de la temperatura. iii) Diseño e implementación de un novedoso sistema para la deposición reproducible in situ del sistema i-ZnO/n+-ZnO, donde las películas de i-ZnO son altamente transparentes y resistivas y las películas de n+-ZnO son altamente transparentes y conductoras; la deposición del ZnO fue realizado usando el método de evaporación reactiva activada. iv) Optimización de las propiedades ópticas y eléctricas de las películas delgadas de ZnO a través de un estudio de la influencia de los parámetros de preparación sobre una figura de mérito definida en términos de la transmitancia y la resistividad. Películas de n+-ZnO con resistividades alrededor de 8x10-4 Ω cm y transmitancias de alrededor del 85% y películas de i-ZnO con transmitancias del 90% y resistividades mayores que 104Ωcm fueron depositadas en un mismo proceso (in situ). v) La aplicabilidad de las películas delgadas de Mo, CuInS2, ZnO e In2S3 preparadas y optimizadas durante el trabajo de tesis fue comprobada mediante la fabricación de celdas solares cuyas eficiencias fueron mayores al 8%, para un área efectiva de 1 cm2.