Deposición por baño químico de películas de óxido de zinc para su aplicación como ventanas transparentes y conductoras en celdas solares de película delgada

Abstract

La búsqueda de celdas solares fotovoltaicas de mayor eficiencia y menores costos conduce al desarrollo de nuevos materiales y la implementación de técnicas de procesamiento alternativas. En este trabajo se estudió la deposición de películas de óxido de zinc, no intencionalmente dopadas y dopadas con aluminio, para ser utilizadas como ventanas transparentes en celdas solares de película delgada. Como técnica de síntesis se eligió la deposición por baño químico (CBD) ya que no requiere vacío, es simple y escalable a grandes áreas. Además, las temperaturas utilizadas son aptas para la deposición sobre las restantes películas de una celda fotovoltaica sin dañarlas. Previo a la deposición de la película de ZnO es necesario depositar una capa semilla para favorecer la nucleación heterogénea en la deposición por CBD. Para dicha película se utilizó la técnica de rocío pirolítico. Por último, se implementó un post tratamiento con luz UV con el fin de mejorar la conductividad eléctrica de las películas de ZnO obtenidas. La capa semilla debe favorecer la nucleación pero no interfiere en el pasaje de la luz hacia las demás películas de la celda solar. Para la obtención de una película adecuada, se establecieron requisitos en cuanto al espesor, la transmitancia y la temperatura de deposición. Se analizaron y seleccionaron los parámetros de deposición (temperatura del sustrato, ciclos de atomizado y concentración de la solución) que permitieron cumplir los requerimientos para la capa semilla. La deposición por baño químico se realizó a partir de una solución de ZnO e hidróxido de amonio, utilizando dos precursores de ZnO con distinto tamaño de partícula. Para el dopaje con aluminio se realizó una solución dopante con nitrato de aluminio y citrato de amonio, que fue incorporada a la solución de ZnO e hidróxido de amonio de dos formas: en una sola alicuota previo a la deposición, y de forma gradual. Se analizaron los efectos del dopaje con dos concentraciones diferentes: 2 mmol/L y 3,5 mmol/L de Al3+. Los parámetros de deposición como el tiempo, temperatura y agitación se mantuvieron constantes en todas las deposiciones. Las propiedades optoelectrónicas se caracterizaron mediante espectroscopia UV-Vis y el método de Van der Pauw con una celda de cuatro puntas. El espesor de las películas se obtuvo a partir de perfilometrías. La composición química, morfología y microestrutura se analizaron mediante la difracción de rayos X (DRX), espectroscopia Raman, microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis por energía dispersiva de electrones (EDS). Se obtuvieron películas macro y microscópicamente uniformes y con una transmitancia superior al 80% en el rango visible. Las resistividades disminuyeron en tres órdenes de magnitud con la aplicación del tratamiento con luz UV, alcanzando resistividades en el orden de 10-2 .cm. La deposición de ZnO fue demostrada por el DRX y Raman. Mientras que la incorporación efectiva del aluminio como agente dopante se pudo confirmar a través de EDS. El uso de dos precursores de ZnO distintos no condujo a un cambio en las propiedades optoelectrónicas. Finalmente, se realizó un análisis comparativo de los costos asociados a la deposición de películas de ZnO mediante la técnica de sputtering, utilizada actualmente para la deposición de las ventanas transparentes en las celdas solares, y la técnica de CBD. Se concluyó que a escala industrial no es viable, por el momento, el remplazo de la técnica actual por el CBD debido a los mayores costos de este último. Sin embargo, es una buena alternativa para el ámbito de la investigación. Mail del autor Menéndez, Silvina Belén <sil.menendez98@gmail.com>