Síntesis y caracterización de CZTS para aplicaciones en celdas solares

Abstract

Con el objetivo de producir celdas solares fotovoltaicas más eficientes, de bajo costo y amigables con el medio ambiente, se están desarrollando permanentemente nuevos materiales. En este trabajo se sintetizó un semiconductor tipo p denominado CZTS (Cu2SnZnS4) utilizado como capa absorbedora de la radiación solar en las celdas solares de película delgada. Se eligió un método de deposición de bajo costo denominado rocío pirolítico. Entre sus principales ventajas se pueden mencionar: no requiere vacío, equipamiento económico, fácilmente llevado a escala industrial, buen control sobre estequiometría, permite grandes áreas de deposición y con geometrías intrincadas. El objetivo de este trabajo es optimizar la deposición de CZTS identificando las variables experimentales que permitan obtener películas con adecuada microestructura, morfología y propiedades opto-electrónicas. Se seleccionaron los siguientes parámetros para analizar: temperatura de deposición (325 ºC, 375 ºC y 425 ºC), sustrato (vidrio y FTO), postratamiento de película (recocido a 500 ºC durante 1 hora en atmosfera de Ar y de azufre). La cristalinidad, morfología y estequiometría de las películas se caracterizaron por difracción de rayos X (DRX), espectroscopia Raman y microscopia electrónica de barrido (SEM) y análisis por energía dispersiva de electrones (EDS). Se realizaron ensayos fotoelectroquímicos y de espectroscopía UV-Visible para obtener propiedades eléctricas y ópticas. La obtención de CZTS en todas las condiciones analizadas fue demostrada por DRX y Raman, con un importante incremento en la cristalinidad a mayores temperaturas de deposición o luego de un postratamiento. Se detectó con Raman la presencia de Cu2S como fase secundaria en todos los casos aplicados. El tamaño medio de cristalita calculado se encuentra en el rango de 7 a 85 nm. La composición química de las películas fue muy cercana a la estequiométrica en todos los casos, no hubo una mejora sustancial posterior a los tratamientos térmicos. Se observó mediante SEM una cobertura total del sustrato, no se percibió ninguna morfología particular de la estructura depositada, ni diferencias en las películas obtenidas a las distintas temperaturas analizadas. Posterior a un sulfurizado o recocido en Ar, hubo un importante crecimiento del tamaño de grano dependiente del tipo de tratamiento térmico. El espesor del depósito medido con FIB-SEM fue de 1,45 μm. El band gap calculado de las películas se encuentra en el rango de 1,3 a 1,6 eV, en buen acuerdo con los valores que se han reportado para el mismo material preparado por otras técnicas. Los ensayos fotoelectroquímicos revelaron que las películas son tipo p.