Evaluación de la síntesis de materiales fotovoltaicos tipo kesterita de alta eficiencia a partir de disoluciones precursoras

Abstract

Films made with kesterite absorbents have acquired special interest in the photovoltaic industry because they allow to acquire energy conversion efficiencies greater than 12%. They have a bandwidth of 1,5 eV and represent an economic and innocuous alternative for the environment. Among the methods developed for the synthesis of CZTS, the process based on precursor solutions (CBD, Chemical Bath Deposition) appears as an attractive technique, because it includes the use of less toxic substances, allows obtaining large areas of film and its costs production rates are lower than other chemical methods. In practice, cells made with CBD-synthesized kesterite absorbents report low energy conversion efficiencies, which highlights the importance of investigating and evaluating the technique.

In general terms, this monographic research contemplates a critical documentary review of the advantages, challenges and limitations of the synthesis by the CBD method on a laboratory scale of kesterite thin films. In the first section I expose the operation of the semiconductors used in photovoltaic devices, structural and electronic characteristics of kesterite. Then, I include a description of the experimental process used in the synthesis of kesterite from chemical solutions, as well as a review of the most important parameters in the synthesis according to the reports available in the literature and the modifications to the technique. In conclusion, the synthesis of CZTS by the CBD technique is a chemically complex process, which involves a large number of equilibrium reactions and metal-binder systems that can vary according to the concentration of the precursors, annealing temperature and sulfidation as well as the use of complexing agents. Therefore, the appraisals made in this review are a conceptual starting point that make way to future research to optimize the technique and characterization processes of the CZTS film synthesized by CBD in photovoltaic devices.

Las películas elaboradas con absorbentes de kesterita han adquirido especial interés en la industria fotovoltaica por cuanto permiten conseguir eficiencias de conversión de energía superiores al 12%, presentan un ancho de banda de 1,5 eV y representan una alternativa económica e inocua para el medio ambiente. Dentro de los métodos químicos desarrollados para la síntesis de CZTS, el proceso basado en disoluciones precursoras (CBD, Chemical Bath Deposition) figura como una técnica atractiva, porque incluye el uso de sustancias menos tóxicas, permite la obtención de grandes áreas de película y sus costos de producción son inferiores en comparación con otros métodos químicos. En la práctica, las celdas construidas con absorbentes de kesterita sintetizados por CBD reportan bajas eficiencias de conversión de energía, lo que pone en evidencia la importancia de indagar y evaluar la técnica. En términos generales, el presente estudio monográfico contempla una revisión crítica documental de las ventajas, retos y limitaciones que tiene la síntesis por el método CBD a escala de laboratorio de películas delgadas de kesterita. En el primer apartado expongo el funcionamiento que tienen los semiconductores empleados en dispositivos fotovoltaicos, características estructurales y electrónicas de la kesterita. Posteriormente incluyo una descripción del proceso experimental empleado en la síntesis de kesterita a partir de disoluciones químicas, así como una revisión de los parámetros más importantes en la síntesis de acuerdo con los reportes disponibles en la literatura y las modificaciones a la técnica. A modo de conclusión, la síntesis de CZTS por la técnica CBD es un proceso químicamente complejo, que involucra una gran cantidad de reacciones en equilibrio y sistemas metal-ligante que pueden variar de acuerdo con la concentración de los precursores, temperatura de recocido y sulfuración, así como del uso de agentes acomplejantes. Por lo tanto, las apreciaciones realizadas en la presente revisión son un punto de partida conceptual que abre paso a futuras investigaciones que permitan optimizar la técnica y los procesos de caracterización de la película de CZTS sintetizada por CBD en dispositivos fotovoltaicos.